Multisim13仿真軟件在觸發(fā)器中的應(yīng)用分析

張學(xué)文，司佑全

( 湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

文獻(xiàn)[1]從理論上對(duì)基本RS觸發(fā)器和同步RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”進(jìn)行了分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文獻(xiàn)[2～4]依據(jù)與非門(mén)的邏輯關(guān)系并考慮門(mén)的延遲時(shí)間，分析了基本RS觸發(fā)器“不確定狀態(tài)”，文獻(xiàn)[5]給出了具有置0、置1功能及“不確定狀態(tài)”的同步RS觸發(fā)器的Multisim仿真方法。

上述文獻(xiàn)[1]～[6]對(duì)基本RS觸發(fā)器和同步RS觸發(fā)器中的一種或者兩種的“不確定狀態(tài)”進(jìn)行了分析，本文在對(duì)這兩種電路進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，還對(duì)主從RS觸發(fā)器、主從JK觸發(fā)器進(jìn)行了分析，并利用Multisim13仿真軟件中的字信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)，四蹤示波器同時(shí)觀察輸入和輸出波形，找到“不確定狀態(tài)”，對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，將理論分析與仿真分析相結(jié)合，為電路設(shè)計(jì)提供參考。此工作解決了觸發(fā)器的工作波形無(wú)法用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行分析驗(yàn)證的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)四種電路進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步完善了從基本RS觸發(fā)器→同步RS觸發(fā)器→主從RS觸發(fā)器→主從JK觸發(fā)器的電路改進(jìn)過(guò)程。其結(jié)果表明：只有觸發(fā)器特性方程沒(méi)有約束條件時(shí)，才不會(huì)出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”,由此從本質(zhì)上解釋了“不確定狀態(tài)”特性。

1 RS觸發(fā)器的不確定狀態(tài)

將兩個(gè)與非門(mén)交叉連接構(gòu)成圖1所示的基本RS觸發(fā)器。其邏輯功能如表1所示[1]。

表1 與非門(mén)構(gòu)成RS觸發(fā)器的功能表

圖1 與非門(mén)構(gòu)成的RS觸發(fā)器

對(duì)于“不確定狀態(tài)”，學(xué)生理解起來(lái)比較困難，實(shí)驗(yàn)也沒(méi)法觀察到。利用Multisim13仿真軟件在四蹤示波器上可以很清晰地觀察到非定義狀態(tài)的狀態(tài)變化。同時(shí)也較好地解釋了為什么基本RS觸發(fā)器的輸入信號(hào)需要遵守SR=0的條件。

圖2 基本RS觸發(fā)器仿真電路

實(shí)際電路中門(mén)電路的延遲時(shí)間不可控，而在Multisim13中可以改變單個(gè)門(mén)電路的延遲時(shí)間，當(dāng)U1A、U1B延遲時(shí)間不同，而且是確定的， RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)就可以確定。

圖4 示波器觀察基本RS觸發(fā)器輸出情況(U1A延遲時(shí)間長(zhǎng))

圖5 示波器觀察基本RS觸發(fā)器輸出情況(U1B延遲時(shí)間長(zhǎng))

2 同步RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”

RS觸發(fā)器輸入信號(hào)存在競(jìng)爭(zhēng)，容易冒險(xiǎn)；輸出受輸入信號(hào)直接控制，噪聲可以直接改變輸出，RS觸發(fā)器無(wú)法區(qū)分輸入是信號(hào)還是噪聲，無(wú)法處理干擾。所以需要對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

在電平觸發(fā)的觸發(fā)器電路中，除了置1、置0輸入端外，增加了一個(gè)觸發(fā)信號(hào)輸入端CLK.只有CLK有效，觸發(fā)器才能置1、置0[3]。在時(shí)鐘CLK=1期間接收S、R輸入信號(hào)并改變狀態(tài), 在CLK的其他期間狀態(tài)不變。如圖6所示。

四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、S、R、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖7所示。

圖6 同步RS觸發(fā)器電路

字信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為00→01→02→03→00→03→01→02→00之間循環(huán)，其輸出端接入同步RS觸發(fā)器的輸入端S、R，CLK，接時(shí)鐘脈沖，四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、S、R、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖7所示。

從圖7中可以看到，情形1：S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖剑磺樾?：CLK為高電平，S、R同時(shí)由1變?yōu)?.這兩個(gè)時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)Q不斷地在0,1之間變化；情形1：對(duì)應(yīng)圖7中看到的左邊和右邊紫色的區(qū)域；情形2：對(duì)應(yīng)中間的一塊紫色區(qū)域。同步RS觸發(fā)器可以利用CLK進(jìn)行選通控制，抗干擾能力有所提升，但觸發(fā)方式仍然是電平觸發(fā)，存在空翻現(xiàn)象[5]。

3 主從RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”

字信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為00→01→02→03→00→03→01→02→00之間循環(huán)，其輸出端接入同步RS觸發(fā)器的輸入端S、R，CLK接時(shí)鐘脈沖，四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、S、R、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖8、圖9所示。

圖8 主從RS觸發(fā)器電路

從圖9中可以看到當(dāng)S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)刻開(kāi)始一直到下一個(gè)下降沿脈沖到來(lái)(一個(gè)CLK的變化周期)，Q不斷地在0,1之間變化，圖7中看到的一塊紫色區(qū)域，就是主從RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”。主從RS觸發(fā)器是脈沖觸發(fā)。

4 主從JK觸發(fā)器

字信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為00→01→02→03→00→03→01→02→00之間循環(huán)，其輸出端接入主從JK觸發(fā)器的輸入端J、K，CLK接時(shí)鐘脈沖，四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、J、K、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖10、圖11所示。

圖10 主從JK觸發(fā)器電路

5 總結(jié)

通過(guò)Multisim13仿真軟件中的四蹤示波器顯示輸入信號(hào)及狀態(tài)輸出信號(hào)的波形，對(duì)時(shí)序波形進(jìn)行分析，觀察基本RS觸發(fā)器、同步RS觸發(fā)器、主從RS觸發(fā)器中 “不確定狀態(tài)”發(fā)生的時(shí)間段，得到：

2)對(duì)同步RS觸發(fā)器，當(dāng)CLK為高電平S、R同時(shí)從1變?yōu)?，或者S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖剑紩?huì)出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。

3)對(duì)主從RS觸發(fā)器，當(dāng)S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)刻開(kāi)始一直到下一個(gè)下降沿脈沖到來(lái)(一個(gè)CLK的變化周期)，輸出端出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。

觸發(fā)器特性方程如果有約束條件，當(dāng)輸入信號(hào)不滿(mǎn)足約束條件時(shí)，輸出端可能會(huì)出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。只有觸發(fā)器特性方程沒(méi)有約束條件時(shí)，才不會(huì)出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。

同步RS觸發(fā)器存在不確定狀態(tài)和空翻，主從RS觸發(fā)器克服了空翻，JK觸發(fā)器解決了RS觸發(fā)器存在不確定狀態(tài)的問(wèn)題。通過(guò)比較分析，電路逐步改進(jìn)過(guò)程，弄清不同電路結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)和規(guī)律,特別是出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”的條件, 對(duì)理解和分析其它觸發(fā)器及整個(gè)時(shí)序電路都有重要的借鑒作用，同時(shí)對(duì)特殊時(shí)序電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題時(shí)的解決具有一定的參考作用。