Multisim在觸發(fā)器工作波形分析中的應用

摘 要:介紹用Multisim仿真軟件進行觸發(fā)器工作波形仿真分析的方法，目的是探索觸發(fā)器工作波形的仿真實驗技術，即用Multisim仿真軟件中的字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的時鐘脈沖、數(shù)據(jù)輸入、異步控制等多路信號，用Multisim中邏輯分析儀多蹤同步顯示觸發(fā)器的各種輸入及狀態(tài)輸出波形。并介紹了幾種典型觸發(fā)方式，不同邏輯功能觸發(fā)器工作波形仿真分析時Multisim中字組產(chǎn)生器的設置方法。該軟件可直觀形象地描述觸發(fā)器的邏輯功能和狀態(tài)變化特點。所述方法的創(chuàng)新點是解決了觸發(fā)器工作波形無法用電子實驗儀器進行分析驗證的問題。關鍵詞:觸發(fā)器; Multisim; 字組產(chǎn)生器; 邏輯分析儀

中圖分類號:TN911; TP391.9文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0184-03

Application of Multisim in Flip-flop Working Wave Analysis

REN Jun-yuan

(Department of Physics， Bohai University， Jinzhou 121000， China)

Abstract: To explore the simulation experiment technology of the working waves of flip-flop， the method of applying Multisim to analyze the working wave of flop-flop is introduced. The word generator in multisim simulation software is used to generate signals such as clock pulse， input data and asynchronous control， and the logic analyzer is employed to synchronously display the input and output waves of flip-flop. How to set the word generator is also discussed in several typical trigger modes for different logic functions. As a conclusion， logic functions and states change of flip-flop can be depicted intuitively and vividly. This method settles the question that the working waves of flip-flop are hard to test and verify by electronic devices.Keywords: flip-flop; Multisim; word generator; logic analyzer

0 引 言

觸發(fā)器是具有存儲功能的器件，在數(shù)字電子技術中用于構(gòu)成各種時序邏輯電路[1]。 觸發(fā)器有多種類型:按觸發(fā)方式分為電平觸發(fā)、主從觸發(fā)、邊沿觸發(fā);按邏輯功能分為 RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器等。

觸發(fā)器的特性用觸發(fā)方式和邏輯功能進行描述，觸發(fā)方式?jīng)Q定狀態(tài)變化特點，即接收輸入信號改變狀態(tài)的方式;邏輯功能決定狀態(tài)變化的方向，即次態(tài)值。用時序圖即波形圖可直觀描述觸發(fā)器的特性。由于受實驗儀器的限制無法對觸發(fā)器工作波形進行硬件實驗驗證，主要因為現(xiàn)有的信號發(fā)生器不能產(chǎn)生多路同步信號，現(xiàn)有的示波器多為雙蹤示波器無法同時觀測多路波形。

用Multisim軟件仿真可解決上述問題。Multisim仿真軟件是由加拿大Interactive Image Technologies公司開發(fā)的一種基于SPICE工業(yè)標準的EDA軟件，它就像一個真正的實驗工作臺，將電路原理圖的輸入、虛擬儀器的測試分析和結(jié)果的圖形顯示等集成到一個設計窗口[2-8]。

在用Multisim仿真軟件進行觸發(fā)器工作波形仿真分析時，用虛擬儀器中的字組產(chǎn)生器做實驗中的信號源產(chǎn)生所需的各種輸入波形，用邏輯分析儀觀測輸入、輸出波形。

以下分析用Multisim 2001版本，所得結(jié)論適于其他版本。

1 觸發(fā)器工作波形Multisim仿真實驗方法

1.1 創(chuàng)建電路

從TTL數(shù)字IC庫中找出集成觸發(fā)器或找出用于連接成觸發(fā)器的集成邏輯門放置在工作臺合適的位置。從虛擬儀器庫中找出字組產(chǎn)生器、邏輯分析儀放置在工作臺合適的位置。確定字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器所需的時鐘脈沖、數(shù)據(jù)輸入、異步控制等信號，邏輯分析儀所顯示的波形。將集成門連接成觸發(fā)器再接上字組產(chǎn)生器和邏輯分析，或?qū)⒓捎|發(fā)器接上字組產(chǎn)生器和邏輯分析。

1.2 設置字組產(chǎn)生器

(1) 根據(jù)觸發(fā)器的觸發(fā)方式、邏輯功能，確定反映邏輯功能及狀態(tài)變化特點的字組產(chǎn)生器各個輸出信號即字組的內(nèi)容及地址。

(2) 雙擊打開字組產(chǎn)生器，在Address區(qū)塊的Final字段輸入末地址，在Edit區(qū)塊以16進制(Hex字段)或以ASCII碼(ASCII字段)或以二進制(Binary字段)依次輸入各字組數(shù)據(jù)，完成所有字組信號的設置。

1.3 仿真運行分析

雙擊打開邏輯分析儀，按下仿真開關開始仿真，分析顯示仿真實驗波形。

2 觸發(fā)器工作波形Multisim仿真實驗舉例

2.1 主從JK觸發(fā)器工作波形仿真實驗

(1) 仿真實驗電路創(chuàng)建

用74LS00與非門連接成主從JK觸發(fā)器構(gòu)建仿真實驗電路如圖1所示。

其中:Rd為異步置0輸入信號;Sd為異步置1輸入信號;J，K為數(shù)據(jù)輸入信號;CP為時鐘脈沖輸入信號;Qm，Qm為主觸發(fā)器的狀態(tài)輸出信號;Q，Q為狀態(tài)輸出信號。Sd端接電源，異步置1功能無效;Rd用于設置Q=0的初始狀態(tài)。

字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP，J，K及Rd信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，J，K，Rd，Qm，Qm，Q及Q信號波形。

圖1 主從JK觸發(fā)器仿真實驗電路創(chuàng)建

(2) 確定反映觸發(fā)器狀態(tài)變化特點及邏輯功能的字組產(chǎn)生器輸出信號即字組的內(nèi)容及地址。

① 主從觸發(fā)方式觸發(fā)器狀態(tài)變化特點為:

在CP=1期間接收輸入信號，在CP下降沿改變狀態(tài)，且有一次變化問題。

表示JK觸發(fā)器邏輯功能的特性方程為:

Qn+1=JQn+KQn

② 設計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將J，K輸入信號設計成在CP=0，1期間有變化，以驗證主從觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。輸入波形設計、字組數(shù)據(jù)及地址如圖2所示。

圖2 主從JK觸發(fā)器輸入波形設計、字組數(shù)據(jù)及地址

③ 在字組產(chǎn)生器的Address區(qū)塊的Final字段輸入字組數(shù)據(jù)的末地址0024，在Edit區(qū)塊以16進制(Hex字段)依次輸入各字組數(shù)據(jù)0，8，C，D，B，D，B，D，C，8，E，E，F(xiàn)，B，D，B，D，C，E，A，A，B，9，F(xiàn)，9，F(xiàn)，E，C，E，A，B，F(xiàn)，9，F(xiàn)，9，8，8，完成所有字組信號的設置，如圖3所示。

圖3 主從JK觸發(fā)器仿真實驗字組信號的設置

(3) 仿真運行分析

打開邏輯分析儀，按下仿真開關開始仿真，邏輯儀分析顯示波形如圖4所示。

圖4 主從JK觸發(fā)器仿真實驗波形

圖4中，“11”為CP時鐘脈沖波形;“15”為J輸入波形;“12”為K輸入波形;“13”為Rd異步置輸入波形;“4”為Qm狀態(tài)輸出波形;“3”為Qm狀態(tài)輸出波形;“7”為Q狀態(tài)輸出波形;“8”為Q狀態(tài)輸出波形。

通過波形圖可以很直觀地看出，在CP=1期間，主觸發(fā)器接收J，K輸入信號改變Qm，Qm端狀態(tài)，在CP下降沿觸發(fā)器改變Q，Q狀態(tài)。不論CP=1期間J，K怎么變化，主觸發(fā)器Qm，Qm最多只變化一次。

當Qn=0在CP=1時，J由0變1，或Qn=1，在CP=1時K由0變1，在這兩種情況下，才產(chǎn)生一次變化現(xiàn)象。和由特性方程得出Qn= 0時Qn+1=J，Qn=1時Qn+1=K的規(guī)律相符合。

2.2 其他功能和觸發(fā)方式觸發(fā)器工作波形仿真實驗

(1) 同步RS觸發(fā)器工作波形仿真實驗

仿真實驗電路用74LS00與非門連接構(gòu)成。

字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP時鐘脈沖輸入信號、R，S數(shù)據(jù)輸入信號及Rd異步置0輸入信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，R，S，Rd及狀態(tài)輸出Q，Q信號波形。

設計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將R，S輸入信號設計成在CP=0，1期間有變化，并有CP=1期間R=S=1，以驗證電平觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。

(2) 上升沿D觸發(fā)器工作波形仿真實驗

仿真實驗電路用74LS74上升沿D觸發(fā)器。

字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP時鐘脈沖輸入信號、D數(shù)據(jù)輸入信及Rd異步置0輸入信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，D，Rd及狀態(tài)輸出Q，Q信號波形。

設計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將D輸入信號設計成在CP上升沿時刻不變，在CP=0及CP=1期間有變化，以驗證上升沿觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。

(3) 負邊沿JK觸發(fā)器工作波形仿真實驗

仿真實驗電路用74LS112負邊沿JK觸發(fā)器。

字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP時鐘脈沖輸入信號、J，K 數(shù)據(jù)輸入信號及Rd異步置0輸入信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，J，K，Rd及狀態(tài)輸出Q，Q信號波形。

設計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將J，K輸入信號設計成在CP下降沿時刻不變，在CP=0及CP=1期間有變化，以驗證下降沿觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。

3 結(jié) 語

用Multisim仿真軟件進行觸發(fā)器工作波形仿真分析，可直觀描述觸發(fā)器的工作特性。

仿真實驗的關鍵是反映狀態(tài)變化特點的輸入波形的設計即字組產(chǎn)生器字組內(nèi)容的設計。

參考文獻

[1]閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2]鄭步生，吳渭.Multisim 2001電路設計及仿真入門與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[3]朱力恒.電子技術仿真實驗教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[4]尹勇，李林凌.Multisim電路仿真入門與進階[M].北京:科學出版社，2005.

[5]陳先榮.EWB在電子技術實驗中的輔助教學應用[J].實驗技術與管理，2006，23(10):88-90.

[6]張晶，李心廣.基于Multisim的電路設計與仿真[J].計算機仿真，2005，22(5):109-112.

[7]任駿原.電子技術課程CAI教學模式的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2009，31(4):99-100.

[8]馬風格，梁夏，李桂香.Multisim在電子線路實驗教學中的應用探索[J].實驗技術與管理，2005，22(12):73-75.