数电课程设计单号版.docx

1、数电课程设计 单号 版数电的计算计仿真设计与分析基于MULTISIM的数电仿真设计第一章 MULTISIM简介Multisim11是一个优秀的电工电子技术仿真软件，既可以完成电路设计和版图绘制，也可以创建工作平台进行仿真实验。Multisim11软件功能完善，操作界面友好，分析数据准确，易学易用，灵活简便，因此，在教学、科研和工程设计等领域得到广泛地应用。 1.1 Multisim11概述随着时代的发展，仿真技术在电路分析和电子设计中发挥着越来越大的作用。EDA技术（Electronic Design Automation 电子设计自动化)是电工、电子和信息技术发展的卓越成果。EDA的发展与应

2、用引发了一场电路研究和电子设计的技术革命。Multisim是加拿大Electronics Workbench公司研发的EDA系列产品，广泛地应用于电路分析和电子技术的教学和科研中。Multisim仿真功能十分强大，几乎可以100%地仿出真实电路的结果。Multisim11（以下简称Multisim）以SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)为核心，为用户提供了良好的操作平台、强大的元器件库、精度很高的仪表库、电路图编辑器和波形产生与分析器，并提供了较为全面的分析功能，如交流分析、直流扫描分析、瞬态分析等19种功能，此外

3、还提供了原理图输入接口、数字电路和模拟电路的仿真、VHDL/Verilog设计接口与仿真、FPGA/CPLG综合与设计、RF设计和后处理等功能。Multisim系统结构框图，如图1-1所示。图1-1 Multisim系统结构框图从系统结构图中可以看出，Multisim把电路图创建、测试分析和仿真结果等项目都集成到一个电路窗口中，整个操作界面就像一个实验平台。创建电路所需的元器件和测试仪器均可直接从窗口中选取，灵活地搭建各种电路，并可随时进行设置和修改。 1.2 Multisim11的基本功能Multisim11提供了全集成化的工作环境以及电路设计、仿真实验、参数测试和电路分析等强大功能，虚拟的

4、工作平台非常接近真实的实验环境。简言之，Multisim7具有以下基本功能：1、系统集成度高，界面直观，操作简便。Multisim提供了一个互动式的工作平台，可以灵活直观地进行电路设计和仿真实验。2、庞大的元器件库，种类繁多的元器件。Multisim提供了庞大的元器件库，品种齐全，数量众多，系列分类，查找方便。为便于创建电路，大多数元器件均提供虚拟和现实两种形式。此外还提供了众多的三维立体元件，使电路仿真效果更为逼真。3、元件定位迅速，连线简捷方便。创建电路，只要选中元件，用鼠标拖出，就可以轻易地完成元件的定位。元件的连接也非常简单，只需单击源引脚和目的引脚就自动完成元件的连接。同时，连线也可

5、以任意拖动和调整。4、准确、快速地执行仿真实验。Multisim的核心是对电工、电子电路进行SPICE仿真，可以快速、准确、直观地测试电路的参数和性能。5、仪器仪表齐全，精度高。Multisim提供了数字万用表、示波器、逻辑分析仪、波特图仪、函数信号发生器和瓦特表等18种虚拟仪器。仪表外观、面板布置、按键功能和操作方法等与实际仪表基本相同，可以毫无风险地进行使用。6、强大的分析功能。Multisim还提供了直流工作点分析、交流分析、直流扫描分析和傅里叶分析等多种分析功能，为电路实验带来了极大的便利。7、快捷的作图功能。Multisim具有快捷的作图功能，可增删网格，设置标记，建立文本，还可对分

6、析结果进行保存、输出和打印。8、后处理功能。利用后处理器，可以对仿真结果和波形进行数学运算、工程运算、矢量运算和复杂的函数运算。9、射频电路仿真功能。Multisim提供了专门用于射频电路仿真的元件库和仪表，以此搭建射频电路并进行仿真实验。10、HDL仿真功能。Multisim还可以进行HDL(Hardwar Description Language，硬件描述语言 )仿真，具有完整的设计入口、自动项目管理、高级波形显示等功能，可执行综合仿真实验。1.3 Multisim11的操作界面Multisim系统如同一个真实的实验工作台，台上摆放着各种仪器仪表和元器件，可根据实验要求，创建电路、放置仪表

7、和元器件、连接线路，进行调试和分析。下面对系统的各部分加以介绍1、基本界面基本界面最上方是菜单栏，共11项；菜单栏下方左面为系统工具栏，共11项；中间为设计工具栏，共8项；右面是使用中的元件列表（In Use List）和帮助按钮；最右角为仿真开关。基本界面的左侧为元件工具栏；中间部分为电路工作区，或称Workspace,相当于工作平台；右侧为仪表工具栏，共有17种仪器仪表。基本界面的下方为状态栏，状态栏显示当前电路名称、有关操作状态以及鼠标所指条目的信息等。新产生的电路文件以Multisim7默认的名称Circuit 1来命名。图1-2 Multisim 7基本界面2、菜单栏Multisim

8、7的菜单栏与Windows系统极其相似，如图12-3所示。从左至右依次是：File(文件)、Edit(编辑)、View(窗口显示)、Place(放置)、Simulate(仿真)、Transfer(文件输出)、Tools (工具)、Reports(报告)、Options(选项)、Window(视窗)和Help(帮助)，共11个主菜单。3、标准工具栏该工具栏为基本操作按钮，从左至右依次是：新建、打开、保存、剪切、复制、粘贴、打印、放大、缩小、100放大、全屏显示、项目栏、电路元件属性视窗、数据库管理、创建元件、仿真启动、图表、分析、后处理、使用元件列表和帮助按钮。4、仿真开关主要用于仿真控制。5、

9、图形注释工具栏该工具栏主要用于在基本界面中放置各种图形，从左至右依次是：文本、直线、折线、矩形、椭圆、圆弧、多边形和图片。6、元件工具栏元件工具栏通常在基本界面的左边。也可以用鼠标将工具栏拖至界面的上方，呈水平状。从左至右依次是:电源库(Source)、基本元件库(Basic)、二极管库(Diode)、晶体管库(Transistor)、模拟元件库(Analog)、TTL元件库(TTL)、CMOS元件库(CMOS)、数字元件库(Miscellaneous Digital)、混合元件库(Mixed)、指示元件库(1ndicator)、其他元件库(Miscellaneous)、射频元件库(RF)、机

10、电类元件库(Electromechanical)、放置分层模块、放置总线、登录WWWElectronics W和wwwEDA网站等。7、虚拟元件工具栏虚拟元件工具栏带有蓝绿色的标识，从左至右依次是：电源元件工具栏(Power Source ComponentsBar)、信号源元件工具栏(Signal Source ComponentsBar)、基本元件工具栏(Basic Components Bar)、二极管元件工具栏(Diodes Components Bar)、晶体管元件工具栏(Transistors Components Bar)、模拟元件工具栏(Analog Components Ba

11、r)、其他元件工具栏 (Miscellaneous Components Bar)、额定元件工具栏(Rated Components Bar)、3D元件工具栏(3D Components Bar)和测量元件工具栏(Measurement Components Bar)，共计10个工具栏。8、仪表工具栏仪表工具栏通常位于基本界面的右边，也可以用鼠标将工具栏拖至界面的上方，呈水平状。从左至右依次是：数字万用表(Multimeter)、函数信号发生器(Function Generation)、瓦特表(Wattmeter)、双踪示波器(Oscilloscope)、4通道示波器(4 Channel Os

12、cilloscope)、波特图仪(Bode Plotter)、频率计数器(Frequency Counter)、字信号发生器(Word Generator)、逻辑分析仪(Logic Analyzer)、逻辑转换器(Logic Converter)、IV分析仪(1V-Analysis)、失真分析仪(Distortion Analyzer)、频谱分析仪(Spectrum Analyzer)、网络分析仪(Network Analyzer)、安捷伦函数信号发生器(Agilent Function Generation)、安捷伦数字万用表(Agilent Multimeter)、安捷伦示波器(Agile

13、nt Oscilloscope)和动态测量探针(Dynamic Measurement Probe)。第二章 定理及经典例题的仿真2.1 逻辑代数基础一. 重点掌握的内容： 1.逻辑代数的三种基本运算 2.逻辑代数的基本公式、常用公式和逻辑代数的基本定理 3.常用的逻辑函数表示方法。 4. 逻辑函数的两种化简方法和具有无关项的逻辑函数及其化简 二. 一般掌握的内容： 1.逻辑函数的两种表示形式三本章知识点：1三种门电路：A.与门 Y=A*BB.或门 Y=A+BC.非门 Y=A2.常用公式 ： A+AB =A A+AB=A+B A+AB=A+B AB+AB =AA(A+B )=A AB+AC+B

14、C =AB+AC AB+AC+BCD =AB+ACA(AB) =AB A(AB) =A3. 逻辑代数的基本定理: （1）、代入定理任何一个含有变量A的等式，如果将所有出现A的位置都用同一个逻辑函数代替，则等式仍然成立。这个规则称为代入定理。(2)、 反演定理对于任何一个逻辑表达式Y，如果将表达式中的所有“”换成“”，“”换成“”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，原变量换成反变量，反变量换成原变量，那么所得到的表达式就是函数Y的反函数Y（或称补函数）。这个规则称为反演定理。(3)、 对偶定理 对于任何一个逻辑表达式Y，如果将表达式中的所有“”换成“”，“”换成“”，“0”换成“1”，“1”换

15、成“0”，而变量保持不变，则可得到的一个新的函数表达式 YD, YD称为Y的对偶式。4逻辑函数及其表示方法：常用逻辑函数的表示方法有：逻辑真值表（真值表）、逻辑函数式（逻辑式或函数式）、逻辑图、波形图、卡诺图及硬件描述语言。它们之间可以相互转换：真值表逻辑函数式; 逻辑函数式真值表;逻辑式逻辑图; 逻辑图逻辑式 。5. 逻辑函数的化简方法:(1)、公式化简法 (2)、卡诺图化简法卡诺图的定义：将n变量的全部最小项各用一个小方块表示，并使具有逻辑相邻性的最小项在几何位置上相邻排列，得到的图形叫做n变量最小项的卡诺图。四. 典型例题仿真：a) 已知逻辑函数式Y =ABC+ABC+ABC，求真值表。

16、图2.1.1b) 将下列逻辑函数式化为最简与或形式。(1). Y(A,B,C,D)=(AB+BD)(AC)(CD+AD)图2.1.2图2.1.3Y=ACD+BCD(2) Y=(A,B,C,D,E)=m(1,3,5,8,9,12,13,18,19,22,23,24,25,28,29)图2.1.4Y=ABCE+ADE+ABD+BDc) 已知逻辑函数式Y=(ABC+ABC+ABC)，画出其逻辑电路图。图2.1.5逻辑电路图：图2.1.62.2 74LS138D的结构与功能研究一.仿真电路如图所示表 3线8线译码器74LS138电路图2.2.1二、对仿真电路进行分析 观察电路可知，三个双刀开关接上端时

17、表示电路接高电平接下端时电路接地电平，当x1.x2.x3接高电平时，灯亮，接低电平时，灯灭，在接入不同的电位时，从I0到I7会有不同的状态出现，显示灯亮或者灯灭，由此可知，若将给予开关不同的状态输入，输出状态将会有不同的表现，由此可以验证74LS138的逻辑功能。三、仿真过程当A接高电平时，B,C接低电平，然后仿真，得Y1对应指示灯灭，其他灯亮；当反接开关时，得Y6指示灯灭，其他对应指示灯亮。当B接高电平，A,C接低电平时，然后仿真，得到Y2对应指示灯灭，其他对应指示灯亮，当反接开关时，Y5对应指示灯灭。其他指示灯亮；当C接高电平时，B,C接低电平时，Y4对应指示灯灭，其他对应指示灯亮，当开关

18、反接时，Y3对应指示灯灭，其他对应指示灯亮。整个仿真过程完毕。下图为A指示灯亮，B,C指示灯灭时对应的仿真图。图2.2.2仿真结果如下表所示输入输出ABCY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y00001111111000111101111010111110110111011111110011111101101010111111101111011111101111111图2.2.3四、对仿真结果进行分析由结果分析得知：当三种输入状态不同的，得到结果不同，这种由于输入不同导致 不同的结果分析得到74LS 138编码器的工作状态 。总结：注意连接电路时，连线问题，尤其注意不同状态下表示的结构示意图2.3 触

19、发器2.3.1 知识要点一.重点掌握的内容：1.触发器的特点，现态和次态的概念触发器逻辑功能的表示方法。2.触发器四种结构形式及其动作特点。3.触发器在逻辑功能上的四种主要类型，及其各自的功能特点和逻辑功能表示形式。4.触发器的电路结构形式和逻辑功能的关系5.常用集成电路触发器逻辑符号、功能特点以及异步置位、复位端的作用。二、触发器的电路结构与动作特点1、SR锁存是构成各种触发器的基本部件，也是最简单的一种触发器。它的输入信号直接作用在触发器，无需触发信号。2、电平触发的触发器在 CLK1期间，输入信号的变化都直接改变输出端Q和Q的状态;CLK=0期间输出状态保持不变。3、脉冲触发的触发器（1

20、）触发器翻转分两步动作：第一步，在 CLK1期间主触发器接收输入端信号，被置成相应的状态，从触发器不变；第二步，CLK下降沿到来时从触发器按照主触发器的状态翻转，输出端Q和Q的状态改变发生在CLK下降沿。（2）在CLK=1的全部时间里输入信号都将对主触发器起控制作用。4、边沿触发的触发器 触发器的次态仅仅取决于时钟信号的上升沿（下降沿）到达时输入的逻辑状态，而在这以前或以后，输入信号的变化对触发器输出的状态没有影响。2.3.2 对JK触发器进行分析电路结构图如下：图2.3.2.1其中“A”、“B”、“C”和“D”分别与“CLK”“J”“K”和“Q”端连接，表示相应端输入输出的变化情况或高低电平

21、的变化。根据D触发器的电路结构特点，对其进行分析可得到以下结论：(1).若J=1、K=0，则CLK=1时主触发器置1（原来是0则置成1，原来是1则保持1），待CLK=0以后从触发器亦随之置1，即Q*=1。(2).若J=0、K=1，则CLK=1时主触发器置0。，待CLK=0以后从触发器也随之置0，即Q*=0。(3).若J=K=0，则由于门G7、G8被封锁，触发器保持原状态不变，即Q*=Q。(4).若J=K=1时，分两种情况：（a）：Q=0。这时门G8被q断的低电平封锁，CLK=1时仅G7输出低电平信号，故主触发器置1。CLK=0以后从触发器也跟着置1，即Q*=1.（b）：Q=1。这时门G7被Q端

22、的低电平封锁，因而在CLK=1时仅G8能给出低电平信号，故主触发器被置0.当CLK=0以后从触发器跟着置0，故Q*=0。上图用示波器测试结果为：图2.3.2.2可以发现，测试结果完全满足以上分析，故可以从中得出主从JK触发器的特性表。其特性表为：CLKJKQQ*-Q00000011100110110100011011011110图2.3.2.3根据表可以写出JK触发器的特性方程为：Q*=JQ+KQ。且根据以上分析可知，主从JK触发器没有约束。2.3.3 对于D触发器电路结构图如下所示:图2.3.3.1其中，“CLEAR”端为“1”，触发器在时钟“CLK”的作用下，将输入“D”的状态由“Q”端输

23、出。“A”、“B”、“C”和“D”端输出波形分别代表“CLK”、“D”、“Q”和“Q”端的状态变化情况。对D触发器进行分析可知： 若D=1，则CLK变为高电平以后触发器被置成Q=1，CLK回到低电平以后触发器保持1状态不变； 若D=0，则CLK变为高电平以后触发器被置成Q=0，CLK回到低电平以后触发器保持0状态不变。上图用示波器测试的结果为：图2.3.3.2结合以上分析和测试结果可知：,在第13个CLK=1期间，D=1，触发器为1状态，CLK回到低电平以后触发器保持1状态不变；在第45个CLK=1期间，D=0,触发器被置成Q=0，CLK回到低电平以后触发器保持0状态不变 ； 而在第67个CL

24、K=1期间，D=1，触发器被置成Q=1，CLK回到低电平以后触发器保持1状态不变。由以上结论可以得出D触发器的特性表：DQQ*000010101111图2.3.3.3故可知D触发器的特性方程为：Q*=D2.4 可控分频器仿真分析一、概述时序逻辑电路（sequential logic circuit），简称时序电路，是一种任意时刻的输出信号不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态的逻辑电路。时序电路在电路结构上有两个显著的特点，第一，时序电路通常包含组合电路和存储电路两个组成部分，而存储电路是必不可少的。第二，存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端，与输入信号一起，共同决定组合

25、逻辑电路的输出。同步时序逻辑电路的分析方法：分析一个时序电路，就是要找出给定时序电路的逻辑功能。首先讨论同步时序电路的分析方法。由于同步时序电路中所有触发器都是在同一时钟信号操作工作的，所以分析方法比较简单。时序电路的逻辑功能可以用输出方程、驱动方程和状态方程全面描述。因此，只要能写出给定逻辑电路的这三个方程，那么他的逻辑功能也就表示清楚了。根据这三个方程，就能够求得在任何给定输入变量状态和电路状态下电路的输出和次态。分时同步时序电路时一般按如下步骤进行：（1）从给定的逻辑图中写出每个触发器的驱动方程（亦即存储电路中每个触发器输入信号的逻辑函数式）。（2）将得到的这些驱动方程带入相应的触发器的

26、特性方程，得出每个触发器的状态方程，从而得到由这些状态方程组成的整个时序电路的状态方程组。（3）根据逻辑图写出电路的输出方程。二、实例分析图P6.24所示电路是用二十进制优先编码器74LS147和异步十进制计数器74161组成的可控分频器，试说明当输入控制信号A、B、C、D、E、F、G、H、I分别为低电平时由Y端输出的脉冲频率各为多少。已知CLK端输入脉冲的频率为10kHz。图2.4.1 电路逻辑图4位同步二进制计数器74161功能表如下表所示图2.4.2二十进制优先编码器74LS147的功能表如下表所示图2.4.3在multisim元器件库中，74LS147的、分别对应A、B、C、D、E、F

27、、G、H、I输入信号。1、I为低电平时，由于其优先级最高，无论其它输入信号为高电平还是低电平，输入Y0为高电平，Y1 Y2为高电平，经过反相器之后作为74161的输入信号，即为74161预置数001，可得其频率。连接电路仿真如下：图2.4.4仿真图像如下：图2.4.5其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y的图像。计算处理可得到其频率为1/8.023ms=125Hz。2、当I8为低电平I9为高电平时，无论I1-I7为高电平还是低电平，优先编码I8，Y0 Y1 Y2高低电平，即预置数111，连接电路仿真可得Y的频率。图2.4.6其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y

28、的图像。计算处理可得到其频率为1/9.002ms=111Hz。3、当I7为低电平I8、I9为高电平时图2.4.7其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y的图像。计算处理可得到其频率为1/2.034ms=492Hz。4、当I6为低电平I7、I8、I9为高电平时图2.4.8其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y的图像。计算处理可得到其频率为1/2.976ms=336Hz。5、当I5为低电平I6、I7、I8、I9为高电平时图2.4.9其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y的图像。计算处理可得到其频率为1/3.992ms=250Hz。6、当I4为低电平I5

29、、I6、I7、I8、I9为高电平时图2.4.10其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y的图像。计算处理可得到其频率为1/5.009ms=200Hz。7、当I3为低电平I4、I5、I6、I7、I8、I9为高电平时图2.4.11其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y的图像。计算处理可得到其频率为1/5.989ms=167Hz。8、当I2为低电平I3、I4、I5、I6、I7、I8、I9为高电平时图2.4.12其中上面的为 时钟信号CLK的图像，下面的为进位输出Y的图像。计算处理可得到其频率为1/7.006ms=143Hz。9、当I1为低电平I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8、I9为高电平时图2.4.2其中上面的为 时钟信号CLK的波形，下面的为进位输出Y的波形。计算处理可得到其频率为1/8.023ms=125Hz。通过以上仿真可得I9=0I8=0I7=0I6=0I5=0I4=0I3=0I2=0I1=0周期ms8.0239.0022.0342.9763.9925.0095.9897.0068.023频率Hz125111492336250200167143125