摘 要：随着电子技术的快速发展，电子设计自动化（EDA）已经成为现代电子设计的重要手段。Multisim作为一种广泛应用于电子电路仿真与设计的软件，为相关领域的研究者、工程师提供了便捷的工具和平台。文章使用EDA仿真软件Multisim通过软件直接生成、利用软件作为辅助通过门电路、译码器、数据选择器设计实现全加器为例，探析Multisim在电子电路设计中的应用方法和优势。结果表明Multisim仿真软件设计电子电路在快速构建、仿真和优化全加器电路，以及提高设计效率和可靠性方面有明显优势。
关键词：EDA仿真软件；Multisim；全加器；电路设计；仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）17-0001-04
0 引 言
加法运算是最基本的数字运算，全加器是组合逻辑电路中的重要组成部分，是数字集成电路各模块的核心部件[1]。加法器是构成许多处理操作的基础，这些处理操作包括计数、乘法及滤波等[2]。使用EDA（电子设计自动化）软件进行全加器设计，能够显著提升设计效率和精确度。Multisim软件是一款功能强大的电子设计软件，它拥有丰富的元件库和强大的仿真功能，为全加器设计带来了诸多便利。本文通过一个具体的全加器设计实例，探析了Multisim在电子电路设计中的应用方法和优势。
1 Multisim软件介绍
Multisim 是美国NI公司推出的电路仿真软件，该软件分析功能强大、操作简单、用户界面友好、使用更加方便直观[3]，是一款电子设计自动化（EDA）软件，具有丰富的电路元件库、虚拟仪器库和强大的仿真功能。用户可以在软件中搭建电路图，对电路进行仿真和测试，实时观察电路性能。Multisim还支持与其他EDA软件的接口，方便用户进行数据导入导出。
2 全加器的设计原理
全加器又称全加电路，主要应用于计算机系统和数字逻辑电路中。全加器是一种基本的算术电路，用于执行两个二进制数A和B的加法操作，并根据接收到的低位进位信号C进行处理[4]。全加器不仅可以处理一位进位，还可以处理多位进位，具有较高的灵活性和实用性。
全加器的基本构成包括两部分：半加器和进位输出。半加器是全加器的核心部分，用于计算两个二进制数之间的和，同时判断是否有进位产生。进位输出则用于传递上一位的进位信息，以实现多位全加器的级联。在全加器的工作过程中，首先将两个二进制数按照位数对齐，然后通过半加器计算每位上的和。当两数之和为0时，半加器输出0；当两数之和为1时，半加器输出1；当两数之和为2时，半加器输出1并产生进位；当两数之和为3时，半加器输出0并产生进位，以此类推。全加器的另一个重要特点是能够处理连续的进位。当某一位产生进位时，进位输出会将其传递给下一位，从而实现多位的全加运算。这种级联方式使得全加器能够处理更复杂的数字运算，满足不同位数二进制数的加法需求。
全加器在数字电路中属于组合逻辑电路，组合电路是指电路在任何时刻产生的稳态输出仅仅取决于该时刻输入变量取值组合，而与过去的输入值无关。组合电路的设计是利用多种门元件实现所需的功能。此电路的设计分为五步：1）根据全加器的基本原理，确定逻辑输入变量和逻辑输出变量，赋予逻辑值。2）根据逻辑关系，列出真值表。3）根据真值表，写出逻辑函数的最小项表达式。4）化简逻辑函数，并根据可能提供的逻辑电路类型，求出所需要的表达式形式。5）画出与所得表达式相对应的逻辑电路图。下面就根据此步骤设计全加器。
2.1 真值表及表达式
下面就两个一位二进制加法器为例进行设计，首先确定变量及赋予逻辑值，输入变量为加数A、被加数B、低位进位C，输出变量为和数S、向高位进位Cout，列出真值表[5]，如表1所示。
将真值表输入Multisim 14.0右侧仪表工具栏中的逻辑变换器，使用逻辑变换器工具中真值表转换为最小项表达式（页面右侧第二个窗口）和真值表转换为最简表达式（页面右侧第三个窗口），如图1所示，得出：
最小项表达式为：
最简表达式为：
2.2 两个一位二进制全加器的四种实现方法
四种实现方法如下：
1）利用EDA直接生成。使用EDA仿真软件Multisim 14.0的逻辑变换器窗口，将表达式转换为电路图（页面右侧第五个窗口）可得最小项表达式的电路图、最简表达式的电路图，即可完成加法器的设计，以最简表达式为例，电路图如图2所示。最简表达式是与门的电路设计，在数字电子技术电路中常用的电路还有与非门，选择表达式转换为与非门电路图按钮（页面右侧第六个窗口）即可完成与非门电路图设计，与非门的电路图就不在此赘述。
2）使用EDA仿真软件Multisim作为辅助，利用门电路设计。在公式化简逻辑表达式时，不同的化简方式最简表达式可能不唯一，下面将Multisim得出的最小项表达式进行化简可以设计出其他全加器电路，有：
在Multisim 14.0中调用元器件工具栏中电源库中1个电源VCC、1个接地，基本元器件库中3个单刀双置开关STPC，在TTL器件库中调用2个异或门74LS86D、2个与门74LS08J、1个或门74LS32N，在显示元件库中调用2个灯，根据表达式连接电路如图3所示，切换单刀双置开关，经运行符合全加器的功能。
3）以EDA仿真软件Multisim作为辅助，利用译码器设计。在组合逻辑电路的设计中，从理论上讲用译码器可以实现任意的组合逻辑函数，因为译码器每个输出端相应形成一个最小项，而任何组合逻辑函数都能转换成最小项之和的标准形式[6]。下面就通过3-8线74LS138D译码器设计全加器[7]，译码器的表达式为：
将EDA生成的全加器最小项表达式取两次反后利用反演率得：
代入译码器表达式得：
根据表达式可见使用1个74LS138译码器和2个74LS20即可实现全加器功能。为验证理论推导的可靠性，使用Multisim 14.0将上式连接电路进行仿真，具体操作如下。在软件中元器件工具栏调用电源库中1个电源VCC、2个接地，基本元器件库中3个单刀双置开关STPC，TTL器件库中1个74LS138C译码器、2个74LS20C与非门，显示元件库中2盏灯，连接电路如图4所示，切换单刀双置开关，经运行验证能实现全加器的功能。
4）使用EDA仿真软件Multisim作为辅助，利用数据选择器设计。数据选择器又叫“多路开关”。数据选择器在地址码（或叫选择控制）电位的控制下，从几个数据输入中选择一个并将其送到一个公共的输出端。根据数据选择器的输出特点，数据选择器具有标准与或表达式的形式，提供了地址变量的全部最小项，通过对照比较法可以实现多变量的任意组合逻辑电路。下面用74LS153双输入多路数据选择器，设计实现全加器。74LS153输入信号有4个分别是C0、C1、C2、C3，选择控制信号2个分别是A1、A0，输出信号1个Y，此外还有1个输出控制信号ST。输出Y的逻辑表达式为：
当ST=0时，有 A1A2=00，Y=C0
A1A2=01，Y=C1
A1A2=10，Y=C2
A1A2=11，Y=C3
当ST=1时，Y恒为0。
为实现全加器功能，将全加器的表达式与数据选择器表达式相等，经使用对照比较法需令全加器的A=A1，B=A0，S=Y1，Cout=Y2，可得：
根据如上理论推导，使用1个74LS153数据选择器和1个74LS04非门可实现全加器功能。为验证理论推导的可靠性，使用Multisim 14.0连接电路进行仿真，具体操作如下。调用元器件工具栏中电源库中1个电源VCC、2个接地，基本元器件库中3个单刀双置开关STPC，在TTL器件库中1个74LS153D数据选择器、1个74LS04D，显示元件库中2盏灯，连接电路如图5所示，切换单刀双置开关，经运行验证能实现全加器的功能。
以上介绍了结合EDA仿真软件Multisim设计全加器的四种方法，方法一是使用仿真软件直接生成，其余方法均使用EDA仿真软件作为辅助。后三种方法通过仿真软件先输入真值表，再将真值表转化为最小项表达式分别通过手动化简、74LS138芯片的最小项输出器的特性、74LS153多位选择器输出特点对照比较设计得出理论全加器电路图，最后使用软件进行仿真验证。
对比方法一EDA直接生成和方法二手动化简设计电路发现，在使用EAD生成的最简表达式电路图可以自动优化电路布局，使得全加器的结构更加紧凑，减少面积占用，提高芯片的集成度，同时可以减少研发人员的工作量，降低设计成本，设计可以快速完成提高设计效率。但鉴于实现逻辑功能的表达式并不唯一、电路设计不唯一，在使用EDA仿真软件设计电路时，组合逻辑电路可灵活地根据实际中现有的资源情况选择设计方法。
本文介绍了四种生成全加器的方法，每种方法的第一步都是使用仿真软件直接生成最小项表达式，跳过根据真值表写出逻辑函数的最小项表达式的步骤，操作方便不宜出错，尤其针对新手使用者在基本最小项表达式都不熟悉的情况下保证了正确率、简单直观易上手[8]。
方法二在设计电路中使用常用的异或门电路来实现，通过公式化简法有意识地将最小项表达式化简为异或门电路。方法三利用译码器可以实现任意的组合逻辑函数可以作为一个最小项输出器的特点设计实现。方法四利用数据选择器具有标准与或表达式的形式提供了地址变量的全部最小项的特点设计实现。可见我们在使用EDA仿真软件设计电路时具有其局限性，丰富的设计经验加软件的熟练使用是保证设计实现的关键。
后三种方法通过EDA仿真软件进行电路布局和测试，这对于电路理论基础相对薄弱而逻辑思维和编程能力较强的设计者尤为适合。EDA技术可以使设计者突破硬件源方面的限制，充分发挥想象力和创造性，设计出别具特色的作品[9]。使用EDA仿真软件进行布局和连线，用户界面简洁、操作简单，可以更好地为设计者提供便利，比起实物连接更可靠，减少动手操作的错误，提高了整体设计效率。连线完成点击运行即可开始仿真，实验不受时间、地点、设备的限制，可以有效降低实验故障率，避免因实验仪器数量种类限制无法操作或因为连线错误导致仪器损坏，可有效减小设计成本[10]。
3 结 论
Multisim作为一款功能强大的EDA仿真软件，在全加器设计中的应用具有显著优势。通过Multisim电子设计工程师可以快速构建、仿真和优化全加器电路，提高设计效率和可靠性。本文以实际案例为依据，详细介绍了Multisim在全加器设计中的具体应用方法和技巧，希望能为相关领域的研究者和工程师提供参考。
参考文献：
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DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.001
作者简介：向春艳（1990.01—），女，汉族，新疆沙湾人，助教，硕士，研究方向：物理学、教育技术学；陈雪娇（1995.05—），女，汉族，新疆昌吉人，助教，硕士，研究方向：电气自动化；薛喜红（1994.12—），女，汉族，陕西榆林人，助教，硕士，研究方向：电气自动化；张海龙（1990.08—），男，汉族，甘肃定西人，助教，硕士，研究方向：电气自动化；李子豪（2004.10—），男，汉族，新疆昌吉人，专科在读，研究方向：机电一体化技术。
收稿日期：2024-02-20
Application Analysis of Simulation Software Multisim in Full Adder Design
Based on EDA
XIANG Chunyan， CHEN Xuejiao， XUE Xihong， ZHANG Hailong， LI Zihao
（Xinjiang Vocational University， Urumqi 830013， China）
Abstract： With the rapid development of electronic technology， Electronic Design Automation （EDA） has become an important means of modern electronic design. As a software widely used in electronic circuit simulation and design， Multisim provides convenient tools and platforms for researchers and engineers in related fields. This paper uses EDA simulation software Multisim as an example， which directly generates through software and uses software as auxiliary to design and realize the full adder through the door circuit， decoder， and data selector， so as to analyze the application methods and advantages of Multisim in electronic circuit design. Results show that the design of Multisim simulation software in electronic circuits has obvious advantages in rapid construction， simulation， optimization of full adder circuits， and improving design efficiency and reliability.
Keywords： EDA simulation software; Multisim; full adder; circuit design; simulation
