基于multisim10的数字电子仿真技术课案.docx

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基于multisim10的数字电子仿真技术课案

编号：

河南大学2007届本科毕业论文

基于multisim10的数字电路仿真技术

论文作者姓名：

________李元庆______

作者学号：

_____1203669001_____

所在学院：

物理与电子学院

所学专业：

__测控技术与仪器____

导师姓名职称：

_闫战强___副教授____

论文完成时间：

2016年04月12日

目录

1

摘要：

1

关键词：

1

1绪论1

1.1数字电路简介2

1.2multisim相关介绍3

2Multisim10基本界面4

2.1主窗口4

2.2菜单栏5

2.3工具栏5

2.4元器件库栏6

3数字电路及其相关电路6

3.1逻辑代数基础6

3.2门电路7

3.3组合逻辑电路8

4数字电路逻辑分析仪10

4.1概述10

4.2系统架构11

4.3流程图13

4.4结果14

5基于multisim的数字电路设计15

5.1时序图15

5.2实施逻辑函数16

5.3办公室报警系统的设计17

6结论18

参考文献18

基于multisim10的数字电路仿真技术

李元庆

（河南大学物理与电子学院，河南开封，475004）

摘要：

本文介绍了multisim10的功能特点及相关操作，简单描述了数字电路的运用基础以及相关电路，提出运用Multisim实现数字电路的仿真方法。

提出了逻辑分析仪的设计思路，详细的操作步骤以及实验结果。

最后用multisim进行了数字电路的仿真，以最基本的与或非门构成的组合电路为起点，深入构思了办公室报警系统的电路设计，并完整的将其设计出来，实现了用multisim软件进行电路设计的工作。

关键词：

数字电路；Multisim10；仿真技术；办公室报警系统

第一章绪论

1.1数字电路简介

数字电路到现在已经经历了好几代的发展，刚开始的时候都用电子二极管，后来用半导体分离软件，再到现在世界上普遍使用的集成电路。

在数字电路的高速发展期间，仅仅经历了短短二十年的发展，但其发展进程相比较模拟电路而言，却是相当飞快。

总所周知，20世纪60年代末，数字集成器件只是小规模逻辑器件（以双极型工艺制成），很快发展到中规模逻辑器件，然后又在短短五年时间，发展到使用大规模组合器件；80年代左右，随着微型CPU以及微型运算器的出现，数字集成电路开启了它质的飞跃，时至今日，数字电路已成为仿真电路的主力军。

数字电路是由许多“门”（与门，或门，非门以及它们的组合）以及各种触发器，译码器，编码器，比较器，选择器等组成各种时序逻辑电路和组合逻辑电路。

而在我们实际应用中，可以通过A/D或者D/A转换器，将数字电路和模拟电路进行随意的转换，为广大研究人员提供了很大的便利。

1.2Multisim相关介绍

目前，嵌入式微处理器和可编程逻辑器件（PLD）如FPGA，CPLD是现代数字系统的主要组成部分。

PLD的允许用户下载的应用设计，取代了以前的部分相互连接的固定功能的MSITTL或CMOS芯片。

然而，传统的74系列TT芯片仍然是大多数现有的教科书和大学实验室的主要应用。

在实验室阶段，学生也需要获得它们的引脚图，它会花费我们大量的时间去研究线路板的连接，于是没有时间来了解电路的工作原理。

Multisim是一个完整的系统设计工具，提供了一个非常大的组件数据库，原理图输入，完整的模拟/数字SPICE仿真，VHDL和VerilogHDL设计输入和仿真，FPGA/CPLD综合射频功能，后处理功能和PCB布局软件包如Ultiboard无缝转移。

它提供了完整的电子电路的捕获，仿真和分析的能力。

在原理图设计中，Multisim提供了一个互动的示波器，逻辑分析仪，波特绘图仪、电源、万用表、函数发生器、模拟和分析设计等。

用Multisim，学生的机会扩大到让他们尝试新情况和分析结果，他们已经学会预见理论和原则。

一方面，Multisim在数字系统设计中从未打算取代对线路板的动手实验，另一方面，它使学生得到迎面而来的实验课前知识。

Multisim是加拿大图像交换技术公司推出的以Windows为基础的仿真工具，普遍应用于发达国家以及一些强势发展中国家，因适用范围广泛，获得全世界的一致认可，multisim主要用来实现电路的模拟与仿真，调试与测验。

它可以以及其直观的方式将电路原理图的图形输入，更提供电路硬件描述等输入方式，又因其丰富的元件库、简单无脑的操作方式，所以具有丰富的仿真分析能力。

Multisim软件界面由多个区域构成：

菜单栏，状态条，各种工具栏，列表框，电路输入窗口等。

通过对各部分进行操作可以实现简单电路图的输入、编辑等其他操作，并根据需求对电路进行相应的观测和分析。

具有这样一些特点：

（1）软件的控制面板外形与实物相似，比较直观明了，可以实时的同步显示测量结果。

（2）创建电路的方式简单直观，比如需要什么元器件直接抓取即可。

（3）软件内的电路元件库相当丰富，不用担心没有可用的器件，而且可提供多种电路分析方法。

（4）作为一款设计软件，它可以同其它的电路分析软件或者设计制板软件交换数据。

第二章Multisim操作方法

2.1主窗口

启动multisim10，从图中可以看出，Multisim10逼真的模仿了一个现实中的电子实验平台，窗口的中央空白区域是电路工作区，在这里进行电路的构建，模拟和调试。

最上面是菜单栏、工具栏和元器件栏，菜单栏用来选择电路创建、连接所需的各种元器件，工具栏提供窗口的各种操作、文件的操作以及其他操作，而元器件栏则是提供实验所需的各种元器件。

我们通过鼠标即可方便地使用各种指令和各种元器件。

2.2菜单栏

File下拉菜单包括新建，打开，保存，退出等；

Edit下拉菜单包括全选，查找，方向转换，layer设置，属性等；

View下拉菜单包括全屏，缩小，放大等对于界面的操作；

Place下拉菜单包括放置元器件，放置连接线，放置节点，放置视图，放置总线等；

Simulate下拉菜单包括仿真运行，分析，仪表列，载入仿真，保存仿真设置等；

Transfer下拉菜单包括转到ultiboard，转到其他PDBlayer等；

Tools下拉菜单包括元器件wizard，555定时器wizard，滤波器wizard，数据库，电路规则检查，变量管理器，捕捉屏幕区域等；

Reports下拉菜单包括材料清单以及元器件详细报告；

Options下拉菜单包括全球参考以及图表属性；

Windows下拉菜单包括各个窗口的排列方式；

Help下拉菜单包括使用帮助，multisim信息，更新检查等。

2.3工具栏

2.4元器件库栏

第三章数字电路及其相关电路

3.1逻辑代数基础

3.1.1逻辑变量 

逻辑代数中也用字母代表变量，但通常用一个字母代表一个变量。

逻辑变量的取值只能是“0”或“1”，代表的是事物矛盾着的双方；判断事件的“真伪”和“是非”，无大小和正负之分。

在数字系统中，代表开关的接通现断开，晶体管的导通与截止，电压的高（5V）低（0V），信号的有无等。

3.1.2逻辑运算

三种基本的逻辑运算：

“或”、“与”、“非”。

“或”运算类似电路中的并联电路，只要有一个灯泡亮，那么整个电路就是通的，只有所有灯都不亮的时候，整个电路才是断开的。

“与”运算类似电路中的串联电路，只有所有灯都亮才是通路，其他不管亮几个都是不通的。

“非”运算则是与电路相反的状态，即电路断开时灯亮，反之亦然。

3.1.3逻辑代数的基本定理

逻辑代数中有三个基本规则：

代入规则、反演规则和对偶规则。

1.代入规则：

在任何逻辑代数等式中，如果等式两边所有出现某一变量的位置都代以一个逻辑函数，则等式仍成立。

利用代入规则可以扩大定理的应用范围。

例：

 ＝＋，若用Ｆ＝ＡＣ代替Ａ，可得 ＝＋＋ 

2.反演规则：

已知函数Ｆ，欲求其反函数时，只要将Ｆ式中所有的“·”换成“＋”，“＋”换成“·”；“0”换成“1”，“1”换成“0”时，原变量变成反变量，反变量变成原变量，便得到。

注意：

运用反演规则时，要注意运算符号的优先次序及括号的正确使用。

例：

  Ｆ＝Ａ［＋（Ｃ＋Ｆ）］ 

＝＋Ｂ·（＋Ｄ）·（Ｅ＋） 

3.对偶规则：

任意函数Ｆ，若将式中的“·”换成“＋”，“＋”换成“·”；“1”换成“0”， “0”换成“1”，而变量保持不变，原式中的运算优先顺序不变。

得到的式子称Ｆ的对偶式Ｆ＇。

若 Ｆ＝Ｇ，则 Ｆ＇＝Ｇ＇。

例：

Ｆ＝（Ａ＋0）·（Ｂ·1） 

Ｆ＇＝（Ａ·1）＋（Ｂ＋0）

3.2门电路

3.2.1CMOS门电路

CMOS门电路是由金属，氧化物以及半导体场效应管组成开关器件，而MOS管则是一种单极型晶体管集成电路，就是一个简单的N型MOS管和一个简单的P型MOS管构成，如图1所示。

由于两管栅极工作电压极性相反，在我们日常工作中，时常将两个MOS管的栅极连在一起，此为输入端，又将两个MOS管的漏极连在一起，此为输出端。

这个时候，两个MOS管互相作为彼此的负载，时刻处于互补工作状态。

当输入低电平时，PMOS管导通，NMOS管截止，输出高电平，当输入高电平时，PMOS管截止，NMOS管导通，输出为低电平。

此外，两个MOS管交替工作，构成了反相器。

3.3组合逻辑电路

3.3.1概述

组合逻辑电路是由各种门电路构成的复杂数字电路，它在任何时刻，输出状态只决定于同一时刻各组合逻辑电路输入状态的组合，而与电路以前状态无关。

其逻辑函数如下：

Li=f（A1，A2，A3……An）（i=1，2，3…m）

其中，A1~An为输入变量，Li为输出变量。

组合逻辑电路的输入、输出之间没有返馈延迟通道且电路中无记忆单元。

3.3.2常见组合逻辑电路

1.编码器

在数字电路中，为了区分一系列不同的事物，常常将其中的每个事物都用一个二进制代码表示，这种用代码表示特定信号的过程叫编码，实现编码功能的逻辑电路叫编码器。

编码器的输入是被编码的信号，输出是与输入信号对应的一组二进制代码。

如图为3位二进制编码器。

2译码器

把二进制代码按照原意转换为相应输出信号的过程叫译码。

完成译码功能的逻辑电路叫译码器。

译码器的p个输入，q个输出应满足2p≥q。

译码器有二进制译码器、二／十进制译码器、数字显示译码器等类型。

在二进制译码器中，若输入代码有n位，则输出信号就是2n个。

因此它可以译出输入变量的全部状态。

如下图所示：

第四章数字电路逻辑分析仪

4.1概念

数字电路的逻辑分析仪的设计,是因为内在的一个信号,它的工作原理是依靠于电路的电压水平。

当我们连接数字电路分析程序时，我们只关心信号的逻辑状态，而不关心一个示波器措施和分析信号是不同的。

通常在数字电路中不测量模拟的细节。

相反，它检测逻辑阈值水平。

逻辑分析仪的优点是它可以监视多个通道，同时具有和各种触发器之间良好的连接。

数字电路比模拟电路获取数据的速率更快，因此需要更多的输入通道。

这将触发一个复杂的数字序列事件,然后复制大量的被测系统的数字数据，捕获的数据将帮助用户定位数字系统的成败。

逻辑分析仪使用时，要比较输入电压和阈值电压并且决定信号的逻辑状态（1或0）。

逻辑分析仪使用个人电脑的展示平台,通过USB接口与设备通信。

它还支持最受欢迎的windows系统,并提供了方便的用户界面。

可以以其强大的触发能力很容易地找出系统中轻微的错误。

4.2系统架构

逻辑分析仪是一种电子仪器显示信号的数字电路。

逻辑分析仪可以捕获的数据转换成时间图,协议解码,状态机痕迹,汇编语言,或者关联装配与源代码级软件。

逻辑分析仪是一种多通道设备，有助于显示数字波形。

模块包括不同部位：

第一部分：

包括不同的数字电路测试像计时器,触发器,计数器和计时器，它们可以用来生成一个平方波形的特定频率信号随着嵌入式系统越来越复杂,需要全面测试变得越来越重要。

表面装配包装和多层PCB制造的进步会导致更紧凑的布局,这使得传统的测试方法,例如：

外部测试探针和“针床测试装置，难以实现。

因此,获取信号板，这有利于硬件测试和软件开发，它还包括探针从测试电路连接到手臂。

第二部分：

包括实际臂板捕获实时信号的数字电路ARM7TDMI-S，这是一个通用目的的32位微处理器，提供高性能和低功耗。

ARM架构基于精简指令集计算机（RISC）原则，和指令集和相关解码机制更简单的微程序复杂指令集计算机（CISC）。

由于其高吞吐量和令人印象深刻的实时中断响应指令，使它成为一个小成本效益的处理器核心。

第三部分：

管道技术运用到处理和内存的所有部分,这样系统可以连续操作。

通常,当一条指令被执行时,其继任者被解码,第三个指令被从内存中获取。

使用RISC处理器的优点是使用较小的模具尺寸，而仅仅需要更短的时间来培养，且比CISC处理器提供更高的性能。

它使用高时钟频率与单周期臂板连接到电脑通过USB连接器。

第四部分：

包括捕获的波形和显示在电脑的GUI控制信号。

PC上的波形可以保存，检索，分析，调试不同的时间信号。

4.3流程图

4.4结果

基本的硬件连接是使用硬件测试窗口进行了测试。

最初所有通道是逻辑1。

当测试电路连接的值相应变化。

图1显示了相应的逻辑1或0。

基本的硬件连接是使用硬件测试窗口进行了测试。

最初所有通道是逻辑1。

当测试电路连接的值相应变化。

图1显示了相应的逻辑1或0。

图1硬件测试窗口

在数据记录器窗口信号捕获和保存，在负载图或测量窗口相同的信号加载和测量。

一个简单的不稳电路连接通道的一个测试仪器，可以验证一个时间段按照组件连接到它,采样周期1被读取输入。

理论上电阻Ra=12.2khz,Rb=95khz，并且1uF超滤电容给与7.121赫兹。

图2

测量窗口图2显示了标记的区别是140ms因此频率是7.14赫兹。

因此,理论和实践频率结果是相同的。

第五章基于multisim的数字电路设计

5.1时序图

本论文的主要目的是用函数发生器和示波器显示基本逻辑门电路的时序图，并且完美的绘制出时序图。

当然，这些目标我们可以通过使用Multisim来仿真。

函数发生器和示波器将在模拟连接到测试电路和输入/输出时序图时显示在示波器的屏幕，那么就可以对线路板进行相同的程序和做法。

图2显示了一个在实验室中使用的测试电路。

图3是输入/输出波形的时序图，当开关被按下时，输入信号被禁用。

图4是输入/输出波形的时序图，当开关被释放，输入信号被允许输出。

图2。

实验室时序图逻辑电路

图3。

开关时序图

图4。

开关断开的时序图

5.2实施逻辑函数

本实论文的主要目标是实现一个简单的逻辑功能，用不同的方法使用74个系列集成电路。

在1部分，只有与门，或门与变频器的逻辑门可以用。

在2部分，仅用与非门实现逻辑方程F（X,Y,Z）=X（Y’+Z）+X’Y.

通过本次实验，我进一步的了解了模拟过程，在设计过程中排除故障。

图5显示了在Multisim的逻辑图。

图5.仅用与或门的逻辑图

图6.只使用两输入与非门逻辑图

5.3.办公室报警系统的设计

在本论文中，将只使用与非门设计一个简单的办公室报警系统。

这个办公室的报警系统需要一个逻辑电路，当遇到下列情况时，将触发一个摄像头拍摄一张照片：

1、办公室门在正常办公时间外

2、桌子上有一张桌子，桌子上的警报是武装的

四传感器装置提供以下输入信号：

门：

低输出（0V）是否办公室的门是开着的，从该传感器可知。

报警器：

高输出（5V）是否办公桌报警装备鸣笛，从该传感器可知。

定时器：

高输出（5V）是否在正常办公时间，从该传感器可知。

办公桌：

低输出（0V）是否所有桌子都是封闭的，从该传感器可知。

一个输出信号控制相机：

相机拍照时相机为低电压（0V）。

在线路板的实验中，还需要利用Multisim设计与仿真。

捕获的原理在Multisim中可以作为课程蓝图。

本设计的示例逻辑电路如图7所示。

图7实验室办公报警系统逻辑图

第六章毕业设计收获与体会

在数字电路的设计中，实验部分是学习过程中非常重要且不可分割的一个活动。

而动手实验则可调试技术线路，排除故障，Multisim仿真在没有实物的基础上，模拟实物的原理与功能，使其达到与实物相识的地步，这对于我们学生，甚至广大科研人员都有巨大的帮助。

Multisim仿真的高水平，使我更加扎实的掌握了有关数字电路方面的知识，掌握了74系列芯片的原理和使用方法，并通过翻阅大量的资料，设计出了实验室办公报警系统。

这次设计也让我明白了在实验室设计电路，不允许有一丁点的差错，这次仅仅是模拟，下次若真正用实物，必须要更耐心，更专心，如此才是科研精神。

参考文献

1.《Multisim电路仿真技术应用》主编：

赵永杰，王国玉,电子工业出版社；

2.《电工学简明教程》秦曾煌编，高等教育出版社出版；

3.《数字电子技术基础》阎石，高等教育出版社；

4《将Multisim引人电子技术课堂》刘向军，王斌，中国电力教育

5.《数字电路（第三版）》刘勇编，电子工业出版社

6.《Multisim电子电路仿真教程》朱彩莲编，西安电子科技大学出版社

7.《数字电子：

一个实用的方法》第七版，克莱茨，W编PrenticeHall。

8.《模拟电子技术基础》童诗白编，高等教育出版社

9.《电子技术基础课程设计》任为民编，中央电视广播大学出版社

10.Van Aalkenburg,M.E.Network Analysis Prentce-Hall,Inc,1974.