摘" 要：为提高电子设计课程的教学效果，帮助学生依照电路原理进行虚拟实验，以数字时钟设计教学为例，研究在电子设计课程中应用Multisim 14.0进行电路设计、仿真、修改、元器件封装及PCB制作。实践结果表明，在电子设计课程中应用Multisim 14.0可以夯实学生的理论知识，提高学生的实践能力，提升电子设计课程的教学效果。
关键词：电子设计；Multisim 14.0；时钟电路；PCB；电路仿真
中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）11-0195-04
Research on the Application of Multisim 14.0 in Electronic Design Courses
—Taking Digital Clock Circuit as an Example
MA Hongxing， MA Yun， LIU Xuan， SHENG Tielei
（North Minzu University， Yinchuan" 750021， China）
Abstract： To improve the teaching effectiveness of electronic design courses and assist students in conducting virtual experiments based on circuit principles， taking digital clock design teaching as an example， this study investigates the application of Multisim 14.0 in circuit design， simulation， modification， component packaging， and PCB production in electronic design courses. The practical results show that applying Multisim 14.0 in electronic design courses can solidify students theoretical knowledge， improve their practical abilities， and enhance the teaching effectiveness of electronic design courses.
Keywords： electronic design; Multisim 14.0; clock circuit; PCB; circuit simulation
0" 引" 言
电子设计是一门跨学科综合性课程，涵盖电子工程、计算机科学和数学等多领域的知识，旨在培养学生的电子设计技能。通过该课程的学习，学生将能够设计、仿真和测试各种电子电路系统。课程具有很强的实践性和综合分析性，在培养新工科应用型人才方面发挥着至关重要的作用[1]。
Multisim 14.0提供强大的教学工具，在电子设计课程中有着广泛的应用，有助于教师更好地传授电子设计知识，是电子设计课程中不可或缺的一部分。Multisim 14.0允许学生在虚拟环境中进行电路设计、仿真和PCB制作，使学生在不使用硬件设备和实验室资源的情况下也能在该学习平台上进行电子设计[2]。这种灵活性不仅为学生提供更多的自主学习机会，还有助于丰富学生的实践经验，帮助学生理解和应用电子原理，获得专业实用的电子设计技能。以虚拟环境为基础的学习方式也大大降低了学习成本，提供一个较为便利和高效的电子类专业人才培养途径。
在此以时钟电路为例，在Multisim 14.0环境中设计和仿真电路。在实际教学过程中，引入了电子设计项目管理思想，根据时钟电路的课程设计任务和系统功能，对创建电路、添加元件、电路设计、仿真，以及电路修改和PCB制作等流程进行详细阐述，以此培养学生的电子设计能力，提高电子设计课程的落地性和实用性，激发学生的学习兴趣。
1" 时钟电路功能结构
数字时钟实验是电子设计基础实验中的一项综合性项目。该实验的目的是通过设计和构建数字时钟，使学生深入了解数字电路的操作原理。作为经典的数字电路，数字时钟涵盖了组合逻辑电路和时序逻辑电路的要素。完成这个实验以后，学生将更全面地理解数字时钟的原理，掌握集成电路的使用技能。这不仅有助于加深学生对逻辑电路工作原理的理解，还能使学生获得应用集成电路的实践经验[3]。
数字时钟一般由振荡器、分频器、译码器和显示器等组件构成。具体而言，振荡器和分频器协同工作，形成标准秒信号生成器。计时系统由不同进制的计数器、译码器和显示器等组件构成。标准秒信号通常由标准秒信号生成器传递至计数器，经过计数器的累积，时间结果以数字形式呈现。数字时钟结构框图如图1所示。
时钟电路是一种计数电路，用于精准计算标准频率，通常以小时和分钟的格式显示时间。与传统模拟时钟不同，数字时钟采用现代化技术（如液晶显示、LED显示或数码显示管）来清晰、准确地显现时间信息。这种显示技术使得数字时钟在各种环境下都能提供清晰可见的时间显示，数字时钟也比传统模拟时钟更为精确和丰富。
2" 时钟电路功能单元设计与仿真
2.1" 秒脉冲信号发生单元
秒脉冲信号发生单元在设计上选用555数字振荡器作为核心定时芯片。555数字振荡器以其高稳定性、高准确性以及简洁的外围电路而著称。而且还可以根据实际使用需求快速调整振荡器的输出参数等特性[4]。通过结合集成电路555定时器与多谐振荡器，可以有效地构建出秒脉冲信号发生单元，这种组合也提供了可靠的时间基准。在Multisim 14.0电路设计中，元器件的连接方式如图2所示。
秒脉冲信号发生单元的秒脉冲信号频率为100 Hz，通过对555信号发生器的相关参数进行计算，得到相应外围电路主要参数值如下：
C2放电所需时间T1：
C2充电所需时间T2：
输出方波信号振荡周期T：
输出方波信号振荡频率F：
因此，电路的振荡周期T为：
振荡频率F为：
2.2" 计时单元
计时单元是电子时钟系统的核心部分，主要使用计数器74LS160N来实现计时功能，完成时间基准信号的累积以及相应的进位清零等。74LS160N的CLK为脉冲输入端，RCO为进位信号输出端，ENP和ENT为计数的工作状态端，CLR为清零端，LOAD为置数端，A～D为数据输入端，QA～QD为数据输出端[5]。计时单元组成模块如图3所示。
在计时单元电路设计中，采用六片74LS160N芯片构建一个多功能的计数系统，支持二十四进制和六十进制的计时。通过连接两片74LS160N的输出端和输入端，实现六十进制计数的功能。将另外两片74LS160N的输出端与输入端相连，以完成二十四进制计数的功能。74LS160N是一种十进制同步加法计数器，通常用于计数和分频应用，可以在上升沿或下降沿触发后递增计数，可重置初始状态[6]。也可以在时钟信号的控制下，同时实现清零和置数的操作。其端口资源包括但不限于进位输出端、置数端、清零端、置数输入端、状态输出端以及用于接收时钟信号的端口等。对于那些在此实验中未被使用的端口，都进行了接地处理以确保设备运行的稳定性和安全性。时钟信号可用于控制计数操作，每当接收到一个时钟脉冲，计数器会增加一个计数，通过多个74LS160N芯片相互搭配，成功实现了二十四进制和六十进制的计时功能。
2.3" 译码显示单元
译码显示单元由共阴极七段数码管和译码器7447N构成。7447N是一个4位二进制七段数码管译码器驱动器。其与数码管构成的译码显示原理基于将二进制输入信号转换为七段数码管所需的控制信号，从而完成数字的显示。数码管通常由七个LED组成，这七个LED排列成数字“8”的形状，每个LED称为一个段，分别标记为a、b、c、d、e、f和g。通过控制这些段的亮灭状态，可以显示不同的数字。7447N接收一个4位的二进制输入，共有16种可能的输入组合，这4位的二进制输入表示要显示的数字，再通过内部的逻辑电路，7447N将输入的二进制数转换为对应的七段LED数码管的控制信号。通过这种方式，7447N将输入的二进制数转换为适当的数码管控制信号，以实现数字的动态显示[7]。
2.4" 时钟电路仿真
在Multisim 14.0中设计时钟电路，如图4所示，主要由100 Hz时钟脉冲源电路、60进制秒计数器、60进制分计数器和24小时计数器组成。
在图4中，通过组合使用非门和与非门的电路，将60秒置位信号（～LOAD）传送到60分的时钟脉冲（CLK），将60分置位信号（～LOAD）传送到24时的时钟脉冲（CLK），并将100 Hz电路的输出（OUT）连接到60秒的时钟脉冲（CLK）[8]。采用非门和与非门的组合是为了确保高位信号的触发速度慢于低位信号的触发。多次运行仿真测试，结果表明所设计的时钟电路能够完成既定的时钟计时显示功能——从00：00：01到23：59：59，经过对比可知显示效果良好。
3" PCB制作
在完成对如图3所示时钟电路图的设计和无错误仿真后，需要对电路进行修改以便制作PCB。由于电路中的各集成电路都有独立的供电电源，在PCB制作过程中无法对电源进行封装，因此需要删除电源和接地符号，并添加连接器以提供接口。使用Multisim 14.0对电路中未封装的元件进行二次封装[9]。完成封装后，将原理图导出为网格表文件，以便在Ultiboard 14.0中导入。具体的操作步骤如下：
1）在执行Transfer菜单中的“Forward Annotated to Ultiboard 14.0”操作时，系统将弹出“Save as”对话框。在该对话框中，需选择将当前文件导出为*.ewnet格式文件，文件保存类型指定为Ultiboard 14.0，进行命名保存。随后，在计算机上启动Ultiboard 14.0，并通过Ultiboard 14.0的File菜单下的“Open”命令，打开先前保存的ewnet文件。
2）启动Ultiboard 14.0，创建一个新项目，并执行Tools菜单下的“Board Wizard”。在弹出的“电路板板层设置（Board Technology）”对话框中，点击“Change the Layer Technology”，然后在“Technology”选项下选择“Double-sided”（双面板），随后点击“Next”。在“Board Wizard-Shape of Board”中设置电路板的尺寸和外形，最后点击“Finish”以完成电路板设置。
3）在Ultiboard 14.0中，使用File菜单下的“Open”命令打开之前保存的文件。在弹出的“ImportNetlist”中，可以设置每个节点的状态，并在此默认设置后单击“OK”。在进行自动布局之前，鉴于J1是连接器且用于接电源接口，因此将其预先放置在电路板的右下角，并对其进行锁定。接着，执行“Autoplaceparts”命令（该命令位于Autoroute菜单下），以开始自动布局。在实际布局过程中，需要适当拉开元器件之间的距离，以防止元器件堆积导致布线无法通过[10]。经过调整后，元器件的最终布局如图5所示。
4）执行Design菜单下的“DRC and Netlist Check”命令以及Designed菜单下的“Connectivity Check”命令，以检查PCB是否存在设计规则检查（DRC）错误或未连接的网络等问题。如果存在错误，则需要进行相应修改[11]。接着，利用Autoroute菜单下的“Start/Resume Autorouter”命令生成自动布线的效果图，具体效果如图6所示。
5）通过执行Tools菜单下的“3D View”命令，可以观察PCB的三维显示效果。具体的三维显示效果如图7所示。
4" 结" 论
通过时钟电路设计实例，深入研究了电子设计课程中电路设计的整体流程，重点探讨了PCB的制作过程，深刻认识到电子设计课程教学的实践性效果。在实际操作过程中，需要在Multisim 14.0中对时钟电路进行设计，通过仿真验证所实现的基本功能。再对电路进行修改、封装、PCB制作和3D视图显示，这些均达到既定目标。通过这一实例，有助于学生理解电子设计原理并加以灵活应用，为学生提供了宝贵的理论知识，提高了学生的实践能力和技能水平，改善电子设计课程的教学效果，使学生能够更好地掌握电子设计的相关知识。在此基础上，也提供一种较为有效的用以提高电子设计教育质量的方式。
参考文献：
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作者简介：马宏兴（1975—），男，回族，宁夏西吉人，副教授，硕士生导师，博士，研究方向：智能感知与信息处理。
收稿日期：2023-11-07
基金项目：北方民族大学重点教研项目（2021JY005）；教育部产学合作协同育人项目（220603879075555）
