Multisim电路设计与仿真14教学课件第6章-在数字电路中的应用和仿真

第6章

在数字电路中的应用和仿真目录01020304时序逻辑电路的分析与仿真555定时器在电路中的应用和仿真分立元件特性测试与仿真组合逻辑电路分析与仿真05A／D和D／A转换中的应用和仿真分立元件特性测试与仿真搭建图6-1所示电路，双击XIV1图标，打开“IVanalyzerXIV1”对话框，“Component”栏选择“Diode”，在对话框右下角显示二极管符号，即要求外部接线时，左侧端口接“P”区，中间端口接“N”区；“Currentrange”栏设置显示区可显示的电流仿真范围：“log”对数坐标，“lin”线性刻度坐标；“Valtagerange”栏设置显示区可显示的PN结电压仿真范围；单击“Reverse”按钮可改变显示区底色（黑变白）；“Simulatepara（仿真参数）”栏，可设置电源电压范围。参数设置完毕，在交互仿真分析下运行仿真，二极管伏安特性如图6-1所示。由图6-1可知，二极管“1N4001”流过的电流为628.355mA时，其端口电压为895.522mV。移动游标1（显示区中的竖线），可观察二极管流过任意电流时的端口电压。图6-1二极管由截止到导通所需的时间称为导通时间ton，由导通到截止所需的时间称为反向恢复时间tre。可通过图6-2所示电路对二极管进行动态开关特性测试，示波器通道A测量电阻R1两端的电压波形，通道B测量信号源V1两端的电压波形。图6-2晶体管开关特性测试电路如图6-3所示，示波器通道A测量电阻R1两端的交流电压波形，通道B测量信号源V1两端的电压波形，在交互仿真分析下运行仿真，示波器的工作波形如图6-3所示。由图6-3可知，V1由正半周变为负半周时，晶体管并不能马上由导通变为截止，延迟一段时间后才截止；V1由负半周变为正半周时，晶体管也不是瞬时导通，而是延迟一段时间后才导通。与二极管相比，晶体管的开启时间与关闭时间更短，通常为us或ns数量级。图6-3搭建与非门功能测试电路如图6-4所示。在交互仿真分析下运行仿真，用鼠标（也可用空格键）控制开关S1、S2的状态，观察红光探针的变化规律，可验证“与非门”的逻辑功能。其它门电路的逻辑功能测试方法与之类似，不再赘述。图6-4组合逻辑电路分析搭建如图6-5所示数字电路。应该说明的是，在用Multisim14.0进行数字电路仿真时，有时电路本身没有需要接电源和地的端口，但是仿真时务必把电源和地放在电路旁边，否则会报错。图6-5把A、B、C分别接至逻辑转换仪最左侧的3个输入端口，输出Y1接至逻辑转换仪输出端口，转换结果如图6-6所示。图6-6搭建键控8421BCD编码器电路如图6-7所示。在交互仿真分析下运行仿真，所有开关均不按下时，表示没有编码请求，显示器显示“0”，当有多个开关按下时，显示器显示优先级最高的编码。图6-7中，开关G和I同时按下，显示器显示“9”。图6-7搭建数据分配器电路如图6-8所示。注意发光二极管条为共阳极接法，即当译码器相应端口输出低电平0时二极管点亮。设G1端口为1位数据端D，D接高电平+5V时，在交互仿真分析下运行仿真，若S3S2S1=011，对应Y3发光二极管点亮，即相当于把数据D=1求反以后分配至Y3。以此类推，S3S2S1的状态决定了把数据D分配至哪一路输出端口。图6-8搭建由译码器构成16位循环移位电路如图6-9所示。图6-9

字发生器设置窗口如图6-10所示。Display选择Hex，所以窗口右侧区域显示的是8个16进制的字元，代表32位输出的状态。鼠标左键单击第二行最后一列，键入1，下面每一行最后一列依次键入2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，且在“F”所在的行单击鼠标右键，在右键菜单中选择“SetFinalPosition（设置末尾位置）”，Frequency栏选择100Hz，在交互仿真分析下运行仿真，可观察到探针1至探针16以100Hz的频率依次点亮，类似跑马灯。图6-10搭建用数据选择器构成全加器电路如图6-11所示。在交互仿真分析下运行仿真，S3S2S1=111时，S和C输出均为高电平，两个探针均点亮，符合全加器的运算特点。读者可自行观察全加器S3S2S1不同输入状态时电路的输出状态。图6-11搭建代码转换电路如图6-12所示。在交互仿真分析下运行仿真，S4S3S2S1=0000时，四个探针X4X3X2X1=0000，均不亮；S4S3S2S1=1001时，X4X3X2X1=1100，X4X3对应的探针点亮，即实现了8421BCD码转换为5421BCD码输出。图6-12时序逻辑电路的分析搭建基本RS触发器电路如图6-13所示。单击开关可改变输入数据，开关S1闭合表示输入，开关S2闭合表示输入，开关断开表示输入1。在交互仿真分析下运行仿真，若令S1闭合、S2断开，则Q对应探针不亮，对应探针亮，即Q被“清零”。同样的方法可观察触发器的“置1”、“保持”、“无效”等现象。图6-13搭建JK触发器逻辑功能测试电路如图6-14所示。逻辑分析仪（LogicAnalyzer）可以同步显示和记录16路逻辑信号，用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析。逻辑分析仪的图标左侧有1～F共16个输入端口，使用时接到被测电路的相关节点上，图标下侧也有3个端子，C是外时钟输入端，Q是时钟控制输入端，T是触发控制输入端。鼠标左键双击逻辑分析仪图标可打开其面板窗口如图6-15所示，面板分上下两部分，上半部分是显示窗口，下半部分是逻辑分析仪的控制窗口，控制信号有：Stop（停止）、Reset（复位）、Reverse（反相显示）、Clock（时钟）设置和Trigger（触发）设置。图6-14图6-15搭建D触发器构成的八分频电路（即3位二进制计数器，模8）如图6-16所示。图6-16示波器A通道接V1信号源，B通道接U2A的Q端输出，在交互仿真分析下运行仿真，可观察示波器显示波形如图6-17所示，由图6-17可知，信号源频率为输出信号频率的八倍，实现了八分频。图6-17搭建二十四进制计数器电路如图6-18所示。在交互仿真分析下运行仿真，发现显示器在计数脉冲作用下依次显示0、1、2、...23、0共二十四个状态，实现了二十四进制计数。图6-18搭建可变进制计数器电路如图6-19所示。在交互仿真分析下运行仿真，开关S1=0时，发现显示器在计数脉冲作用下依次显示0、1、2、3、4、5、0共六个状态，实现了六进制计数；开关S1=1时，显示器在计数脉冲作用下依次显示0、1、2、3、4、5、6、7、0共八个状态，实现了八进制计数。图6-19搭建流水灯电路如图6-20所示。在交互仿真分析下运行仿真，开关S1=0时，发现8个探针均不点亮，即全部清零；开关S1=1时，8个探针依次点亮又依次熄灭，周而复始，因此图6-20为一个在开关S1控制下的流水灯电路。图6-20555定时器在电路中的应用和仿真搭建555定时器功能测试电路如图6-21所示。在交互仿真分析下运行仿真，S1=0时，探针不亮（复位）。S1=1时，S2=0（小于2VCC/3），S3=0（小于1VCC/3），探针亮。可分别观察S2S3=11、10、01时探针的状态，验证555定时器的功能。图6-21搭建555定时器构成的多谐振荡器电路如图6-22所示。图6-22在交互仿真分析下运行仿真，双击示波器图标，可观察A通道的输出波形及B通道电容C1两端的电压波形，如图6-23所示。锯齿波形为电容C1两端的电压波形，矩形波为555定时器引脚3（OUT）的输出信号，显然电路不需外部激励，能够自动产生脉冲信号。改变电阻R1、R2的值，可改变输出矩形波的频率及占空比。移动示波器面板的游标1和游标2，可测量负脉冲宽度TWL、正脉冲宽度TWH以及振荡频率f。图6-23搭建555定时器构成的单稳态触发器电路如图6-24所示。图6-24在交互仿真分析下运行仿真，可观察A通道的V1波形、B通道电容C1两端的电压波形以及C通道555定时器输出端口3的电压波形，如图6-25所示。较窄的负脉冲波形为触发信号V1，锯齿波为电容C1两端的电压波形，较宽的正脉冲波形为555定时器引脚3（OUT）的输出信号，移动示波器面板的指针1和指针2，可测量输出波形的正脉冲宽度。显然输出正脉冲在受到触发以后其宽度由电容C1的充电时间决定，约为1.1R1C1。改变电阻R1、电容C1的值，可改变输出正脉冲的宽度。图6-25搭建555定时器构成的施密特触发器电路如图6-26所示，双击信号发生器图标打开信号发生器面板，其设置如图6-27所示。示波器通道A测量信号发生器输出波形，通道B测量555定时器输出波形。图6-26图6-27在交互仿真分析下运行仿真，示波器显示波形如图6-28所示。显然该电路可把输入的正弦波变成矩形波信号，且输出信号状态变化的时刻对应的输入电位不同，即存在回差电压。移动示波器指针1和指针2，可观察输入、输出波形及状态变化的时刻，测量VT+和VT-，计算回差电压△VT。同样可把信号源改为三角波形，观察输出波形。图6-28A／D和D／A转换中的应用和仿真搭建倒T型电阻网络D/A转换器如图6-29所示。在交互仿真分析下运行仿真，令S4S3S2S1=1110（打向右侧为