第9章-Multisim-在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用

數(shù)字電子技術(shù)是電類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，本章通過對各種數(shù)字電路的仿真分析，使之明確在Multisim環(huán)境中如何創(chuàng)建數(shù)字電路、如何仿真并觀測仿真結(jié)果。本章導(dǎo)讀：Multisim的基本操作功能；用Multisim對數(shù)字電子技術(shù)電路的仿真；用Multisim對電路進(jìn)行設(shè)計和測試的方法；Multisim的高級分析方法。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：會應(yīng)用Multisim仿真軟件進(jìn)行數(shù)字電路的仿真。用Multisim對典型電路的仿真及測試、對自行設(shè)計電路進(jìn)行模擬仿真。第9章Multisim在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用

Multisim軟件是加拿大InteractiveImageTechnologies公司（以下簡稱IIT公司），通過對其原有的EWB（ElectronicsWorkbench）軟件進(jìn)行擴(kuò)展和升級，開發(fā)出來的。EWB將原理圖的創(chuàng)建，電路的測試分析和結(jié)果的圖表顯示等，全部集成到同一個電路窗口中。整個操作界面就像一個實驗工作臺，有存放仿真元器件的元器件箱，有存放測試儀器的儀器庫，有進(jìn)行仿真分析的各種操作命令。測試儀器和某些仿真元器件的外形與實物非常接近，操作方法也基本相同，而Multisim又在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)充了元器件箱和儀器庫，增加了工具模塊，調(diào)整了操作界面，并對軟件進(jìn)行了整合優(yōu)化，使得這個易學(xué)易用的軟件，在功能上也變得十分強(qiáng)大。９.1Multisim

基本操作一、Multisim的操作界面1.Multisim主菜單

主菜單提供常用的菜單操作如圖所示。主菜單2.Multisim主工具欄

常用的操作命令

主工具欄提供常用的操作命令如圖所示，用鼠標(biāo)單擊某一按鈕，可完成其對應(yīng)的功能。3.Multisim儀器儀表欄

儀器儀表欄儀器儀表欄如圖所示。4.Multisim元器件庫工具欄

元器件庫欄

元器件庫工具欄如圖所示。1.Sources(電源庫)

二、其他各種庫2.Basic(基本元件庫)

3.Mixed(模-數(shù)混合元器件庫)

4.Diodes(二極管庫)5.Misc(雜項元器件庫)6.Transistors(晶體管庫)7.MicsDigital(其他數(shù)字元器件庫)

8.Analog(模擬器件庫)9.TTL(TTL器件庫)10.CMOS(CMOS器件庫)11.RF(射頻元器件庫)12.Electro_Mechanical(機(jī)電元器件庫)13.Ladder_Diagrams(梯形圖庫)14.Indicators(指示器庫)

界面定制是指使用者利用軟件提供的功能，定制界面以符合自己的工作習(xí)慣和喜好。Multlsim提供了三種定制Multisim界面的功能。②定制右鍵菜單：與所有Windows應(yīng)用軟件一樣，Multisim8也有右鍵菜單功能。不僅如此，Multisim還提供了編輯右鍵菜單內(nèi)容的功能，大家可以按自己的需要自定義右鍵菜單。③定制電路文件工作界面：可以按自己的喜好或需要，自定義電路顏色、頁尺寸、符號系統(tǒng)(ANSI或DIN)和打印設(shè)置等。①定制軟件操作界面：自定義工具欄、狀態(tài)條和工作窗口等設(shè)置。三、Multlsim的界面定制

在用Multisim

進(jìn)行仿真分析時，首先要創(chuàng)建電路文件，然后創(chuàng)建仿真電路。

仿真分析過程四、創(chuàng)建仿真電路

Multisim

允許在一個電路中同時使用多個相同的虛擬儀器，但它們的儀器標(biāo)識不同。

Multisim

提供的虛擬儀器包括：數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、功率表、示波器、波特圖儀、數(shù)顯頻率計、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、伏安特性分析儀、失真分析儀、頻譜分析儀、端口網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent函數(shù)信號發(fā)生器、Agilent數(shù)字萬用表、Tektronix數(shù)字示波器、測量探針等等。９.2Multlsim

虛擬儀器一、虛擬儀器簡介二、幾種主要的虛擬儀器

幾種主要的虛擬儀器（續(xù)）

測量探針的用法Multisim

中測量探針有兩種方法，如圖：Multisim

仿真環(huán)境中虛擬儀器的應(yīng)用如圖所示。三、虛擬儀器的應(yīng)用

邏輯函數(shù)是以邏輯變量作為輸入，以運(yùn)算結(jié)果作為輸出，輸出和輸入之間是一種函數(shù)關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系稱為邏輯函數(shù)。常用的邏輯函數(shù)表示方法有真值表、函數(shù)表達(dá)式、邏輯圖和卡諾圖等，本節(jié)介紹前面三種以及這三種表示方法之間的相互轉(zhuǎn)換。在Multisim仿真環(huán)境中，用虛擬邏輯轉(zhuǎn)換儀（Logic

Converter）可方便實現(xiàn)三種表示方法的相互轉(zhuǎn)換。一、邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換的仿真分析９.3Multlsim

邏輯函數(shù)的仿真邏輯函數(shù)的表示方法及其相互轉(zhuǎn)換仿真分析的主要內(nèi)容如下：(1).數(shù)字電路的創(chuàng)建(2).邏輯圖轉(zhuǎn)換為真值表(3).真值表轉(zhuǎn)換為最小項表達(dá)式(4).真值表轉(zhuǎn)換為最簡表達(dá)式(5).邏輯電路轉(zhuǎn)換為與非-與非形式的電路

1.數(shù)字電路的創(chuàng)建⑴在元器件工具欄上，單擊“TTL”按鈕，選擇“74”系列，選擇所需要的門電路。⑵在虛擬儀器工具欄上，選擇虛擬儀器Logic

Converter（邏輯轉(zhuǎn)換儀）XLC1。⑶將門電路連接在一起，得到邏輯圖；將門電路的輸入端和輸出端連接到邏輯轉(zhuǎn)換儀XLC1對應(yīng)的輸入和輸出端子。

2.數(shù)字邏輯電路某數(shù)字邏輯電路如圖所示。3.邏輯圖轉(zhuǎn)換為真值表

雙擊邏輯轉(zhuǎn)換儀圖標(biāo)，再點(diǎn)擊圖標(biāo)，可得到對應(yīng)的真值表。4.數(shù)字邏輯電路的真值表5.真值表轉(zhuǎn)換為最小項表達(dá)式在圖中，點(diǎn)擊圖標(biāo)，得到該真值表對應(yīng)的最小項表達(dá)式。6.數(shù)字邏輯電路的最小項表達(dá)式7.真值表轉(zhuǎn)換為最簡表達(dá)式在圖中，點(diǎn)擊圖標(biāo)，得到該真值表對應(yīng)的最簡表達(dá)式。8.數(shù)字邏輯電路的最簡表達(dá)式9.邏輯電路轉(zhuǎn)換為非-與非形式的電路在圖中，點(diǎn)擊圖標(biāo)，得到該邏輯電路的與非-與非形式的電路。10.數(shù)字邏輯電路的與非-與非形式

邏輯函數(shù)的化簡在數(shù)字電路的分析和設(shè)計中非常重要，邏輯表達(dá)式越簡單，它所表示的邏輯關(guān)系越明顯，同時也有利于用最少的電子器件實現(xiàn)這個邏輯函數(shù)。邏輯函數(shù)的化簡方法通常有公式化簡法和卡諾圖化簡法。公式化簡法存在無章可循、是否最簡不易看出的缺點(diǎn)；卡諾圖化簡有其優(yōu)點(diǎn)，但是對五變量以上的邏輯函數(shù)，用卡諾圖化簡不方便。而采用虛擬邏輯轉(zhuǎn)換儀可方便得到邏輯函數(shù)的最小項表達(dá)式或最簡表達(dá)式。邏輯函數(shù)化簡舉例：試化簡邏輯函數(shù):

為最簡與或表達(dá)式。二、邏輯函數(shù)的化簡

調(diào)用邏輯轉(zhuǎn)換儀XLC1，雙擊XLC1圖標(biāo)，得到邏輯轉(zhuǎn)換儀XLC1的顯示界面。1.邏輯函數(shù)的化簡

(1)在圖下部的文本框中輸入待化簡的函數(shù)表達(dá)式，點(diǎn)擊

圖標(biāo)，得到該函數(shù)表達(dá)式對應(yīng)的真值表。2.邏輯函數(shù)的化簡步驟

(2)在中，點(diǎn)擊

圖標(biāo)，可得到該函數(shù)表達(dá)式對應(yīng)的最簡與-或表達(dá)式。邏輯函數(shù)Y對應(yīng)的最簡表達(dá)式為：

組合邏輯電路是指電路的輸出僅僅決定于該時刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)無關(guān)。在組合邏輯電路中，常用的組合電路有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器和數(shù)值比較器等。本節(jié)通過在Multisim環(huán)境中，對這些常用組合電路的仿真分析，熟悉常用組合電路的基本應(yīng)用和仿真分析方法。９.4Multlsim常用組合邏輯電路的仿真一、常用組合邏輯電路的仿真分析

編碼器的功能是將輸入的每一個高、低電平信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的二進(jìn)制代碼。在此以集成優(yōu)先編碼器74LS148為例，說明其基本的應(yīng)用和仿真分析方法。二、編碼器1.編碼器的功能2.編碼器74LS148的功能表編碼器74LS148仿真電路如圖所示。3.

74LS148仿真電路

譯碼器的邏輯功能是翻譯代碼，將每一個輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)的高、低電平信號。因此，譯碼器是編碼器的反操作。常用的譯碼電路有二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器。本節(jié)以二進(jìn)制譯碼器74LS138為例，介紹其基本的應(yīng)用和仿真分析方法。

74LS138為三線-八線譯碼器，輸入為3位二進(jìn)制代碼，輸出為8個對應(yīng)的高低電平信號。三、譯碼器1.譯碼器功能２.譯碼器74LS138的功能表3.

74LS138的仿真電路4.

74LS138的仿真分析結(jié)果

數(shù)據(jù)選擇器也叫多路開關(guān)，它是從一組數(shù)據(jù)中，選出一路來。如74LS151為8選1數(shù)據(jù)選擇器，通過給定地址碼，可以從8個輸入信號中選出1路信號至輸出端。四、數(shù)據(jù)選擇器1.數(shù)據(jù)選擇器的功能2.

74LS151數(shù)據(jù)選擇器的功能

表決器的仿真電路3.數(shù)據(jù)選擇器應(yīng)用舉例

M=0時，表決器的輸入、輸出波形如圖所示。4.表決器的輸入、輸出波形

M=1時，表決器的輸入、輸出波形如圖所示。

數(shù)值比較器用來比較兩個二進(jìn)制數(shù)的大小，當(dāng)比較兩個多位二進(jìn)制數(shù)時，需從高到低比較，而且只有在高位相等時，才需要比較低位。在此通過對中規(guī)模集成比較器CD4585的仿真分析，說明數(shù)值比較器的應(yīng)用和仿真分析方法。五、數(shù)值比較器1.數(shù)值比較器的功能2.

CD4585的邏輯符號數(shù)值判斷電路的仿真電路3.數(shù)值比較器的應(yīng)用舉例

觸發(fā)器是時序邏輯電路的基本單元，觸發(fā)器能存儲一位二值信號。為了能存儲一位二值信號，觸發(fā)器必須具備兩個基本的特點(diǎn)：第一，具有兩個自行保持的穩(wěn)定狀態(tài)，用來表示邏輯狀態(tài)0和1，或二進(jìn)制數(shù)0和1；第二，根據(jù)不同的輸入信號可以置成0或1狀態(tài)。觸發(fā)器從電路結(jié)構(gòu)上可分為基本觸發(fā)器和時鐘觸發(fā)器兩大類。本節(jié)通過對基本觸發(fā)器和時鐘觸發(fā)器的仿真分析，驗證觸發(fā)器的邏輯功能和特點(diǎn)。９.5Multlsim觸發(fā)器的仿真一、觸發(fā)器的仿真分析觸發(fā)器的功能：基本觸發(fā)器又稱為直接置位復(fù)位觸發(fā)器，用兩個與非門組成交叉耦合的結(jié)構(gòu)。二、基本觸發(fā)器的仿真分析1.基本RS觸發(fā)器仿真電路2.基本RS觸發(fā)器的輸入、輸出波形

時鐘觸發(fā)器顧名思議是觸發(fā)器中有時鐘觸發(fā)信號，通常有同步RS觸發(fā)器、主從觸發(fā)器、維阻觸發(fā)器、CMOS邊沿觸發(fā)器等。同時，由于控制方式的不同（即信號的輸入方式以及觸發(fā)器狀態(tài)隨輸入信號變化的規(guī)律不同），觸發(fā)器的邏輯功能又有所不同。因此根據(jù)觸發(fā)器的邏輯功能的不同分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器、T’觸發(fā)器和D觸發(fā)器這5種類型。本節(jié)以JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器為例，說明觸發(fā)器的功能特點(diǎn)、應(yīng)用以及仿真分析方法。

三、時鐘觸發(fā)器的仿真分析1.JK觸發(fā)器的功能2.JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖3.D觸發(fā)器的功能4.D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

JK觸發(fā)器構(gòu)成T觸發(fā)器，是將JK觸發(fā)器的輸入端J和K連在一起，令T=J=K，這樣就構(gòu)成T觸發(fā)器。四、用JK觸發(fā)器構(gòu)成T觸發(fā)器1.T觸發(fā)器的輸入、輸出波形(T=1)2.T觸發(fā)器的輸入、輸出波形(T=0)

令

。擴(kuò)展以后的電路如圖所示。五、用JK觸發(fā)器構(gòu)成T觸發(fā)器用D觸發(fā)器構(gòu)成JK觸發(fā)器電路對應(yīng)的信號波形。

時序邏輯電路是數(shù)字電路的另一種類型，在這類邏輯電路中，任一時刻電路的輸出信號不僅取決于當(dāng)時的輸入信號，而且還取決于電路原來的狀態(tài)；或者說，還與以前的輸入有關(guān)。常用的時序電路有寄存器和移位寄存器、計數(shù)器、順序脈沖發(fā)生器、序列信號發(fā)生器等。本節(jié)通過對這些常用時序電路的仿真分析，明確常用時序電路的仿真分析方法、功能特點(diǎn)和應(yīng)用。９.6時序邏輯電路的仿真一、常用時序邏輯電路的說明

常用的時序電路有寄存器和移位寄存器、計數(shù)器、順序脈沖發(fā)生器、序列信號發(fā)生器等。本節(jié)通過對這些常用時序電路的仿真分析，使之明確常用時序電路的仿真分析方法、功能特點(diǎn)和應(yīng)用。二、常用時序邏輯電路的仿真分析

寄存器用于存放一組二值代碼，N位寄存器是由N個觸發(fā)器構(gòu)成的。移位寄存器能實現(xiàn)存數(shù)和移位的功能。本節(jié)以雙向移位寄存器74LS194為例，說明寄存器的基本應(yīng)用和仿真分析方法。三、寄存器和移位寄存器的應(yīng)用1.雙向移位寄存器74LS194的功能

雙向移位寄存器74LS194具有存數(shù)、雙向移位、置零和保持等功能。2.雙向移位寄存器74LS194的應(yīng)用用74LS194組成串行加法器如圖所示。

仿真串行加法器3.電路中寄存器U1和U2的輸出波形

計數(shù)器在數(shù)字電路中得到廣泛應(yīng)用，計數(shù)器不僅能用于對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，還可用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。按計數(shù)器中的觸發(fā)器是否同時翻轉(zhuǎn)分類，可以將計數(shù)器分為同步式和異步式兩種。在同步計數(shù)器中，當(dāng)時鐘脈沖輸入時觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)是同步發(fā)生的。而在異步計數(shù)器中，觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，不是同時發(fā)生的。本節(jié)以同步二進(jìn)制計數(shù)器74LS161為例，說明計數(shù)器的基本功能特點(diǎn)、應(yīng)用和仿真分析方法。四、計數(shù)器的應(yīng)用1.二進(jìn)制計數(shù)器74LS161的功能2.二進(jìn)制計數(shù)器74LS161的應(yīng)用

用74LS161構(gòu)成可變進(jìn)制計數(shù)器如圖所示。

仿真可變進(jìn)制計數(shù)器

序列信號（串行數(shù)字信號）發(fā)生器在數(shù)字信號的傳輸和數(shù)字系統(tǒng)的測試中應(yīng)用廣泛，通常將這種能產(chǎn)生序列信號的電路稱為序列信號發(fā)生器。序列信號發(fā)生器的構(gòu)成方法有多種，可采用觸發(fā)器和門電路構(gòu)成，也可采用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成等。本節(jié)以后者為例，說明序列信號發(fā)生器的功能、特點(diǎn)和仿真分析方法。五、序列信號發(fā)生器的仿真信息1.用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成的序列信號發(fā)生器2.序列信號發(fā)生器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表3.電路產(chǎn)生的序列信號仿真分析

555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、通信等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。用555定時器可方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本節(jié)以555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為例，說明555定時器的功能特點(diǎn)、應(yīng)用以及仿真分析方法。９.7555定時器的應(yīng)用電路的仿真一、555定時器的應(yīng)用

以555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為例，說明555定時器的功能特點(diǎn)、應(yīng)用以及仿真分析方法。二、555定時器的應(yīng)用舉例三、用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器四、用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的輸入、輸出波形如圖所示。五、用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的仿真波形如圖所示。

為了能夠使用數(shù)字電路處理模擬信號，必須將模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，才能送入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。同樣，數(shù)字信號要控制模擬設(shè)備，往往要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，作為最后的輸出。實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備是數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。本節(jié)通過對常用DAC和ADC的仿真分析，說明DAC和ADC的基本原理、應(yīng)用和仿真分析方法。

９.8模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的仿真一、模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成方法很多，有權(quán)電阻型DAC、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC以及權(quán)電流型DAC等。但基本的實現(xiàn)原理都是構(gòu)造一組電流，電流的大小和數(shù)字信號的各位的權(quán)值對應(yīng)，然后將數(shù)字量等于1的位對應(yīng)的各段電流相加，最后轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號。本節(jié)首先介紹D/A轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)原理，接著以倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的構(gòu)成為例，介紹DAC的功能、特點(diǎn)和仿真分析方法。二、D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及應(yīng)用仿真分析(1)D/A轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)原理①構(gòu)造一組電流②將輸入代碼中所有=1的位對應(yīng)的電流求和③將總電流I轉(zhuǎn)換成電壓V01.D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及應(yīng)用(2)用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)(手動輸入)如圖所示。(3)電路的仿真輸出波形如圖所示。2.D/A轉(zhuǎn)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(自動輸入)