Multisim和Protel在《數字電子技術》課程設計中的應用

2022-09-11

1 在《數字電子技術》課程設計中引入EDA軟件的必要性

隨著現代電子技術的高速發展, 《數字電子技術》課程在教學過程中既需要在有限的課堂時間內向學生傳授一定的理論知識, 又需要在實踐教學環節中給學生充分發揮動手能力的實踐空間[1]。特別是在課程設計過程中, 由于設計周期短 (一般兩周時間) 且學生缺乏實際設計經驗, 設計過程中時感覺困惑的地方很難及時解決, 極大的打擊了學生的創作積極性, 實際效果并不是太好。然而引入EDA軟件之后, 通過計算機強大的輔助設計計算能力, 可以大大提高電路設計的效率和準確性, 并且通過仿真, 學生可以根據需要任意調整所設計電路的各項參數, 極大提高學生的學習興趣和實踐教學的教學效果。

2 具體設計實例——電子拔河游戲裝置

為了詳細說明Multisim和Protel軟件在《數字電子技術》課程設計中的應用, 本文以電子拔河游戲裝置作為一個具體實例。在整個課程設計中, 要求學生獨立完成絕大部分的設計工作, 電路的形式、參數可以有所區別, 關鍵是掌握數字電子電路的設計思想和設計流程。在電子拔河游戲裝置這個課程設計實例的設計過程中, 具體分為電路初步設計、Multisim電路仿真、Protel電路原理圖繪制、Protel電路PCB板圖設計、電路制板、電路板焊接調試等步驟。整個設計流程可以讓學生初步掌握數字電子電路設計的設計思想和一般方法, 也可作為日后實用電路設計的參考。

2.1 電路初步設計

在電子拔河游戲裝置中, 用9個發光二極管排列成一行作為拔河繩, 開機后只有中間一個二極管點亮, 以此作為拔河的中心線, 游戲雙方各持一個按鍵, 迅速不斷地按鍵產生脈沖, 亮點向按得快的一方移動, 每按一次, 亮點移動一次。當移到一方終端二極管點亮時就勝出, 此時雙方按鍵均無作用, 輸出保持, 只有經復位后才使亮點恢復到中心線。電路中用到的主要數字器件有CC40193、CC4081、CC4011、CC4514、CC4518和CC4030等, 按電路的功能主要分為編碼電路、整形電路、譯碼電路、控制電路、勝負顯示和復位電路共6個電路模塊。其中編碼電路用到的主要器件是CC40193 (雙時鐘二進制同步加/減計數器) ;整形電路用到的主要器件是CC4081和CC4011 (門電路) ;譯碼電路用到的組要器件是CC4514 (4線-16線譯碼器) ;控制電路用到的主要器件是CC4030和CC4011 (門電路) ;勝負顯示電路用到底主要器件是CC4518 (BCD譯碼器) ;復位電路通過CC40193的清零端實現復位功能。在學生的設計過程中, 應指導學生按照電路的功能分塊設計、分塊仿真當所有的功能模塊都仿真正確后, 再組合起來進行整體調試仿真。

2.2 Multisim電路仿真驗證

電路經初步設計后, 采用Multisim軟件進行仿真, 驗證電路原理是否正確。這樣就可以在不需要制做實際電路的情況下快速檢查出電路設計中可能存在的錯誤或不足, 節省大量人力物力和時間, 極大提高了工作效率[2]。在課程設計過程中, 應指導學生采取先部分后整體的設計方法, 先仿真各功能電路模塊, 然后再組合成一個整體, 一定不要剛開始就把整個電路完全畫好后再進行仿真, 否則出現錯誤時查找起來會很困難。用Multisim繪制的仿真電路如圖1所示。

2.3 Protel電路原理圖和PCB板圖設計

電路經過初步設計和Multisim仿真調試后, 改正了可能出現的錯誤和不足, 并將各項電路參數進行優化[3], 基本確定了設計方案。然后通過Protel軟件設計電路原理圖和PCB板圖。用Protel繪制PCB板圖時應注意電源線和地線要盡量粗一點, 信號線在拐角處盡量大于90度, 避免走90度角或銳角。

2.4 電路板制板及焊接

電路PCB板圖繪制好后, 電路板的制做有幾種方法: (1) 利用熱轉印法進行腐蝕工藝制做, 優點是制做方便、成本低廉, 缺點是制做精度較低。 (2) 利用PCB雕刻機進行雕刻, 優點是加工較精細, 缺點是雕刻機成本較高。 (3) 送到PCB板加工廠制做, 優點是制做精良, 缺點是加工數量較少時費用較高。由于本次課程設計中需制做到電路板數量較大, 綜合考慮以上因素, 采用了第三種方法進行制做, 做好的電路板實物圖如圖2所示。

2.5 電路板的焊接及調試

在教師的指導下, 學生逐步完成電路板的焊接和調試。在這個過程中, 注意對學生實際動手能力的訓練, 從元器件的選取、判斷好壞、按電路功能分塊焊接和調試, 直至最后實現電子拔河裝置的總體功能。

3 結語

在《數字電子技術》課程設計的實踐教學環節中, 通過引入Multisim和Protel等EDA軟件進行輔助設計, 不僅能極大提高設計效率和成功率, 還能激發學生的學習興趣和創新能力, 教學效果得到了明顯提高。并且這些設計思想、設計流程和設計方法可以應用于日后工作中的實用電路設計中, 有很強的實際應用價值。

摘要：介紹了EDA軟件Multisim和Protel的特點及其在《數字電子技術》課程設計中的應用。通過一個具體實例——電子拔河游戲裝置在課程設計中的成功應用, 表明此兩款EDA軟件在數字電子課程設計中有具有設計方便、仿真效果直觀等優點, 取得了較好的教學效果。詳細介紹了此實例的電路設計、Multisim仿真、Protel電路原理圖及PCB板圖等設計流程, 也可作為實用電路設計的參考。

關鍵詞：Multisim,Protel,數字電子技術,課程設計