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1、Multisim电路仿真 快速入门,郭东亮 2010.5,之数字电子技术,内容,= 基础篇 = 第1章 Multisim电路仿真软件简介 第2章 仿真基础（放置元件-电路图编辑-仿真-报告） 第3章 仿真基础（元器件库、虚拟仪器） 第4章 仿真基础（仿真分析方法）,= 应用篇 = 第5章 应用于电路分析 第6章 应用于模拟电路 第7章 应用于数字电路 第8章 应用于单片机电路 第9章 FPGA/CPLD仿真 第10章 电子系统综合设计,内容,= 基础篇 = 第1章 Multisim电路仿真软件简介 第2章 仿真基础（放置元件-电路图编辑-仿真-报告） 第3章 仿真基础（元器件库、虚拟仪器） 第
2、4章 仿真基础（仿真分析方法）,= 应用篇 = 第5章 应用于电路分析 第6章 应用于模拟电路 第7章 应用于数字电路 第8章 应用于单片机电路 第9章 FPGA/CPLD仿真 第10章 电子系统综合设计,第7章 Multisim应用于数字电子技术,7.1 相关虚拟仪器 7.2 逻辑函数的化简及转换 7.3 组合逻辑电路的分析与设计 7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析 7.5 组合逻辑电路竞争-冒险现象检测与消除 7.6 触发器电路仿真分析 7.7 时序电路设计与仿真分析 7.8 555定时器设计与仿真分析 7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,7.1 相关虚拟仪器,7.1.1 字信号发
3、生器（Word Generator） 用于产生数字信号（最多32位），作为数字信号源,字信号编辑区,高16位,低16位,数据 准备端,触发端,7.1 相关虚拟仪器,字信号编辑区：按顺序显示待输出的数字信号，可直接编辑修改 Controls选择区域：数字信号输出控制 Cycle：从起始地址开始循环输出，数量由Settings对话框设定 Burst：输出从起始地址开始至终了地址的全部数字信号 Step：单步输出数字信号 Set按钮：设置数字信号类型和数量 Display选择：十六进制、十进制、二进制、ASCII码 Trigger选择：内触发、外触发、上升沿、下降沿 Frequency：输出数字信号
4、的频率,7.1 相关虚拟仪器,Set：设置数字信号类型和数量 Pre-set Patterns: 不改变字信号编辑区的数字信号 载入数字信号文件*.dp 存储数字信号 将字信号编辑区的数字信号清零 数字信号从初始地址至终了地址输出 数字信号从终了地址至初始地址输出 数字信号按右移方式输出 数字信号按左移方式输出,数字信号的数量,Initial Pattern:设置数字信号初始值，只在Shift Right、Shift Left选项起作用。,7.1 相关虚拟仪器,应用：字信号发生器XWG1、TTL元器件库中选择74LS138、逻辑分析仪XLA1，创建字信号发生器应用电路。,7.1 相关虚拟仪器,
5、字信号发生器XWG1设置为循环输出三位二进制代码000111。,单击运行按钮，双击逻辑分析仪，测量结果如图所示。,7.1 相关虚拟仪器,7.1.2 逻辑分析仪（Logic Analyzer） 用于同步记录和显示16位数字信号，可用于对数字信号的高速采集和时序分析,接输入信号,触发控制端时钟控制端接外部时钟,7.1 相关虚拟仪器,操作界面： 左侧16个小圆圈代表16个输入端，若接有被测信号，则出现黑圆点 左侧第1区: Stop: 停止仿真 Reset：复位并清除显示波形 Reverse：改变屏幕背景颜色 左侧第2区: T1、T2：读书指针1和2离开扫描线零点的时间 T2-T1：两读书指针之间的时
6、间差,Clock/Div: 显示屏上每个水平刻度现实的时钟脉冲数 Set按钮: 设置时钟脉冲,7.1 相关虚拟仪器,单击Set，弹出Clock setup,Clock Source：选择外/内时钟 Clock Rate：时钟频率 Sampling Setting：取样方式 Pre-trigger Samples：前沿触发取样数 Post-trigger Samples：后沿触发取样数 Threshold Volt.：阈值电压,7.1 相关虚拟仪器,Trigger区：设置触发方式，单击Set按钮,Trigger Clock Edge：触发方式 Positive上升沿、Negative下降沿、Bo
7、th升降沿触发 Trigger Qualifier：触发限定字（0、1、x(0、1皆可)） Trigger Patterns：触发样本，可设置样本A、B、C Trigger Combinations：选择组合的触发样本,7.1 相关虚拟仪器,7.1.3 逻辑转换仪（Logic Converter） 实现数字电路各种表示方法的相互转换、逻辑函数化简，实际数字仪器中无逻辑转换仪设备。,数字电路输入,数字电路输出,7.1 相关虚拟仪器,变量（A、B、C、D、E、F、G、H） 真值表 函数表达式显示文本框 转换选择区,逻辑图转换为真值表 真值表转换为最小项之和 真值表转换为最简与或表达式 表达式转换为
8、真值表 表达式转换为逻辑图 表达式转换为与非-与非形式的逻辑图,7.1 相关虚拟仪器,逻辑转换仪应用示例： 选择3个输入变量A、B、C 初始函数值为“？”，单击改为0、1或X,7.1 相关虚拟仪器,函数值设置,转换为布尔表达式,7.1 相关虚拟仪器,表达式转换为逻辑图,最简表达式转换为逻辑图,7.2 逻辑函数的化简及转换,7.2.1 逻辑函数的化简 利用逻辑转换仪（Logic Converter）：化简逻辑函数，得到最小项表达式或最简表达式。,例：将逻辑函数Y(A,B,C,D,E)=m(2,9,15,19,20,23,24,25,27,28)+d(5,6,16,31) 化简为最简与或表达式。,
9、调用逻辑转换仪，选择变量列真值表； 用鼠标选择函数值： 1：表达式中存在的最小项 0：表达式中不存在的最小项 X：表达式中的无关项,7.2 逻辑函数的化简及转换,转换为最简与或表达式，“”表示反变量,7.2 逻辑函数的化简及转换,例：创建数字电路（TTL74系列门电路），将输入输出端连接到逻辑转换仪。,7.2 逻辑函数的化简及转换,由逻辑图得到真值表,7.2 逻辑函数的化简及转换,由真值表得到最小项表达式,7.2 逻辑函数的化简及转换,由真值表得到最简表达式,7.2 逻辑函数的化简及转换,得到与非形式的逻辑图,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,数字逻辑电路按是否有记忆能力分为组合逻辑电路和时序
10、逻辑电路两大类 组合逻辑电路没有记忆能力，其输出仅取决于当前时刻的输入，与电路的历史状态无关 组合逻辑电路的分析：由逻辑电路图分析其功能 传统分析方法：表达式-最简表达式-真值表-分析功能 Multisim中是利用逻辑转换仪进行分析,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,7.3.1 组合逻辑电路分析 举例：创建逻辑电路，逻辑转换仪XLC1接入。,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,分析真值表和最简表达式,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,同理，将Y2接入XLC1,结合Y1、Y2的表达式及真值表，可知该电路为一位全加器电路。Y1为全加器的和，Y2为全加器产生的进位。,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,
11、7.3.2 组合逻辑电路设计 根据给定设计要求，设计出逻辑电路，目标是以最少的元器件构建满足功能要求的逻辑电路 传统设计（人工设计）步骤： （1）分析题意，将文字叙述抽象为逻辑描述，定义输入输出逻辑变量 （2）根据逻辑功能要求列出真值表 （3）由真值表写出逻辑关系表达式，并化简为最简逻辑表达式 （4）按最简逻辑表达式构建逻辑电路 基于Multisim设计组合逻辑电路过程大大简化，但思路与人工设计基本相同,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,例：设计一汽车告警系统，在以下情况下产生告警信号：启动开关启动而车门未关；启动开关启动而安全带未系好；启动开关启动而车门未关、安全带也未系好。 设计： （1）
12、定义输入输出逻辑变量，文字叙述抽象为逻辑描述 输入变量3个： 启动开关（启动/未启动）、车门（关/未关）、安全带（系好/未系好） 输出变量1个：告警信号（产生/未产生） 用A、B、C、F表示这些变量，逻辑描述为：,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,A=1/0，启动开关 = 启动/未启动 B=1/0，车门 = 关/未关 C=1/0，安全带 =系好/未系好 F=1/0，告警信号 = 产生/未产生 （2）根据逻辑功能要求列出真值表：,7.3 组合逻辑电路的分析与设计,（3）由真值表写出逻辑关系表达式，并化简为最简逻辑表达式 调用逻辑转换仪，输入真值表，再得到最简表达式,7.3 组合逻辑电路的分析与设
13、计,（4）按最简逻辑表达式构建逻辑电路,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,“一位全加器74LS183”性能测试 输入输出端子不多，采用开关提供输入信号，指示灯观察输出结果,注：D是SOP封装的，N是DIP封装,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,“一位全加器74LS183”性能测试,A1=B1=CN1=0, S1=0,1CN1=0,A1=1, B1=CN1=0, S1=1,1CN1=0,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,依此类推，使ABC三个键按000、001、010111组合，运行，观测输出结果，列写测试结果。,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,输入端A1、B1，前级进
14、位端CN1 本位和S1、进位端1CN1 借助逻辑分析仪可构建真值表，转换为表达式，得到本位和S1、进位端1CN1的表达式 测试说明： 待测试芯片输入输出引脚多时，输入信号可用字信号发生器，输出信号用逻辑分析仪或LED,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,全加器仿真分析,两个或两个以上切换至上触点（输入1），指示灯X1亮。具有三人表决器的功能。,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,编码器的仿真分析 8线-3线编码器：优先编码器74LS148 编码器74LS148输出为反码，在其输出端加反相器变成原码输出，输出代码用LED数码管显示,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,编码器的仿真分析
15、 编辑8个字信号（编码器依次对D0,D1, D7进行编码）,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,编码器的仿真分析 运行，编码器输出结果在LED数码管显示，依次显示0，1，2，7。,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,译码器的仿真分析 译码器是编码器的反操作，将二进制代码译成高低电平信号，包括二进制译码器、二-十进制译码器、显示译码器。 以二进制译码器74LS138（3线-8线译码器）为例。,7.4 常用组合电路性能测试与仿真分析,运行，可见74LS138输入代码为0、1、2、7时，输出端依次输出低电平,7.5 组合逻辑电路竞争-冒险现象检测与消除,组合逻辑电路中，门与门之间存在传输延时
16、及信号状态变化速度不一致 信号传输过程中不同点处信号变化出现快慢的差异，这种快慢时差称为竞争 竞争的结果是电路的输出可能出错，这种现象称为冒险 有竞争不一定有冒险 出现冒险一定存在竞争 竞争-冒险出现的尖峰脉冲会使后级电路产生错误动作 电路设计时应进行竞争-冒险检测并予以克服,7.5 组合逻辑电路竞争-冒险现象检测与消除,门电路、脉冲源、示波器,GROUND是模拟地，包含数字地，可通用，但仿真算法复杂，慢；DGND是数字地，不兼容模拟地，但如果是纯数字电路，用它仿真速度大大提高。,输出应保持高电平1不变，但仿真显示在输入信号的下降沿，电路有负的窄脉冲输出，存在竞争-冒险现象。,7.5 组合逻辑
17、电路竞争-冒险现象检测与消除,接入滤波电容 引入选通脉冲 修改逻辑设计（增加冗余项） 例：用增加冗余项的方法消除竞争-冒险现象。 原来的逻辑关系为Y=AB+AC 增加冗余项BC，Y=AB+AC+BC 在B=C=1时，无论A如何变，始终有Y=1，A状态改变不会引起竞争-冒险现象。,7.6 触发器电路仿真分析,触发器：具有记忆功能的存储器件，是构建时序逻辑电路的最基本单元。 触发器（trigger）是个特殊的存储过程，它的执行不是由程序调用，也不是手工启动，而是由事件来触发 种类：RS触发器、D触发器、JK触发器、T触发器 1. 基本触发器 由两个与非门交叉耦合构成。,7.6 触发器电路仿真分析,
18、D触发器：时钟类触发器。 功能：置位、复位。 在时钟信号作用下，输入端D的状态（1或0），使输出端置位或复位。 D触发器逻辑符号 D触发器功能表,D触发器逻辑符号,7.6 触发器电路仿真分析,D触发器仿真,信号源：,7.6 触发器电路仿真分析,JK触发器 时钟类触发器 功能：保持、置0、置1、翻转。 在时钟信号作用下，输入端J、K的状态（1或0），使输出端保持、置位、复位、翻转。 功能表 逻辑符号,7.6 触发器电路仿真分析,JK触发器仿真,7.6 触发器电路仿真分析,触发器是构建时序逻辑电路的基本组成部分 触发器种类多，但常用只有D触发器、JK触发器 用触发器构成的时序电路分析 构建电路 时
19、钟源 分段线性源 逻辑分析仪,7.7 时序电路设计与仿真分析,时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路（触发器）组成，并在时钟信号控制下工作。 常用时序电路有：寄存器、移位寄存器、计数器、顺序脉冲发生器、序列信号发生器。 7.7.1 十进制加减计数器74LS192 带预置输入的十进制加减可逆计数器 【设计】用74LS192设计一个二十五进制减计数器。,7.7 时序电路设计与仿真分析,7.7.2 双向移位寄存器74LS194 4位双向通用移位寄存器器 【设计】用74LS194设计一个流水灯电路。,7.7 时序电路设计与仿真分析,7.7.3 序列信号发生器电路设计 序列信号：串行数字信号 序列信号发生
20、器：能产生序列信号的电路 构成方法：触发器+门电路；计数器+数据选择器 【设计】用计数器74LS161和数据选择器74LS151设计一个8位序列信号（11101000）发生器。,7.8 555定时器设计与仿真分析,RST 复位，低电平有效 DIS 放电输出，集电极开路 THR 高触发输入端 TRI 低触发输入端 CON 电压控制输入端 OUT 输出端,7.8 555定时器设计与仿真分析,555定时器构建施密特触发器（施密特反相器）,直流偏置电压设为2.5V,7.8 555定时器设计与仿真分析,555定时器构建单稳态触发器,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,ADC和DAC已经成为计算机系统
21、不可缺少的接口电路。 7.9.1 ADC构成及仿真分析 ADC：将模拟信号转为一组相应二进制数码。 ADC种类很多： 直接型 间接型 【例】8位ADC仿真 Place/Mixed/ADC_DAC/ADC,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,选取8位ADC,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,引脚介绍： Vin 输入模拟电压 Vref+ 参考电压+，与Vref-之差是满度电压 Vref- 参考电压 SOC 时钟脉冲端 OE 转换使能端 D0D7 二进制数码，排列顺序为D7D0 EOC 转换结束信号，高电平表明转换结束,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,灯亮表示1， 灯灭表示0, 转
22、换的2进制码：11001100 验算： 电压为4V 满度电压5V 4/5 = x/255 所以 x=204 转换为二进制为： 11001100,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,7.9.2 DAC构成及仿真分析 DAC种类很多： 权电阻型 倒T型电阻网络 权电流型 权电容网络 基本原理都是构造一组电流，电流大小与数字信号各位权值对应，将数字量等于1的位所对应的各股电流相加，最后转换为模拟电压信号。,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,8位电压输出型DAC的选取,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,8位电压输出型DAC仿真,引脚含义： D0D7 二进制码输入端 Output 模拟电压输出端 Vref+ - Vref- 要转换的模拟电压范围，也是DAC满度输出电压,仿真： 用电位器R1调节DAC满度输出电压,7.9 模-数和数-模转换器的仿真分析,8位电压输出型DAC仿真,仿真： （1）满度输出电压设定：先在DAC数码输入端全部加1,即11111111，调电位器使满度电压达到输出电压要求，本例中满度电压为10V （2）在输入端加二进制代码，电压表上读数。 本例输入代码为01001001 输出电压理论值： 与仿真结果几乎一致。,