Multisim在数字电路中的应用.doc

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1、电子信息工程学院论文Multisim 在数字电路中的应用姓 名： 吴旭 学 号： 指导教师： 武慧娟 完成时间： 2011,10,12 目录绪论- 2 -第一节 数字电路系统的基本仪器- 3 -1.1 利用逻辑转换仪设计全加器：- 3 -1.1.1 D的设计：- 4 -1.1.2 进位S设计- 4 -1.1.3 将S与D电路组合- 5 -1.1.4 利用逻辑转换仪验证- 6 -1.2 逻辑分析仪：- 7 -1.3 字信号发生器：- 10 -1.3.1 编码器：- 11 -1.3.2 译码器：- 12 -第二节 555定时器- 15 -1.1 由555定时器构成的多谐振荡器- 16 -2.1.1

2、 重点理论- 16 -2.1.2 仿真过程- 17 -2.2 由555定时器构成的单稳态触发器- 19 -2.2.1 重点理论- 19 -2.2.2 仿真过程- 20 -结论- 22 -参考文献- 23 -内容摘要： 数字电子技术的理论学习过程中存在两点不足：一是学生是被动接受电路原理和运行结果，不能完全理解电路工作过程，学习积极性没有完全激发出来；二是在有限的学时内，实验内容只能是有选择性的，不能够面面俱到。在Miltisim中提供了3个在数字电路试验中重要的仪器：逻辑转换仪、逻辑分析仪、字信号发生器，利用它们我们可以实现如全加器、计数器、编码器、解码器等一系列从基本门电路到较为复杂的数字电

3、路系统的设计、模拟与仿真。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，它性能优良，适用范围广，在外部加接少量阻容元件就可以构成多谐振荡器及单稳态触发器，广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。Multisim软件可以方便地建立各种设计电路，不需要昂贵的实验设备，计算机可以提供安全有效的设计环境，其电路结构及设计观念可以很容易地被修改；Multisim软件具有形象且易于掌握的优点，特别适合于高校培养学生的动手能力，而且加强了学生对电子电路的分析、综合能力，有利于提高学生的创新能力。关键字：Multisim 逻辑转换仪 逻辑分析仪 字信号发生器 555定时器 绪论 数字电子技术是电气

4、、电子信息类专业本科生在电子技术方面入门的必修基础课程，该课程既有抽象的理论分析又有较具体的实践应用，同时也是联系模拟电路和各门技术课程的纽带，在本科教育中起着重要作用。数字电子技术需要课后通过实验巩固所学知识，锻炼实际操作能力。但是在有限的学时内，实验内容只能是有选择性的，不能够面面俱到。如果将电子电路计算机仿真和EDA等新技术引入到学习过程中，就可以接受理论知识的同时，通过仿真软件运行观察电路的功能和特性，加深对电路的理解，更容易掌握所学的内容，从而提高学习的兴趣。此外，在掌握基本电路的结构和特点后，还可以尝试通过仿真软件对电路进行局部改进或设计简单电路，提高创新能力。Multisim是一

5、个用于电路设计和仿真的EDA工具软件，其功能强大，具有形象生动的仿真效果，是电子类专业学生的主要实验软件之一。美国NI公司推出的Multisim最新版本是Multisim 11.0。它具有如下特点：(1)界面友好，操作方便；(2)元器件库和测试仪器丰富；(3)仿真和分析功能强大。该软件是基于Window操作系统，学生掌握和使用并不困难，另外，在软件上进行练习，没有任何元件和辅料的损耗，仪表也不存在损坏的问题，实验成本大大降低。第一节 数字电路系统的基本仪器1.1 利用逻辑转换仪设计全加器： （图1.1 逻辑转换仪）逻辑转换仪主要功能有：a. 将逻辑电路转换成真值表；b. 真值表与逻辑表达式（最

6、简逻辑表达式）的相互转换；c. 将逻辑表达式转换成逻辑电路及与非门逻辑电路。逻辑转换仪的应用举例全加器电路的设计：输 入输 出ABCDS0000000110010100110110010101011100111111 （表1-1 全加器真值表） A被加数 B加数 C低位的进位输入 D和 S向高位的进位 由于逻辑转换仪只有一个输出，所以需要将D与S分别设计：1.1.1 D的设计：由于逻辑转换器无法将真值表直接生成与非门逻辑电路，所以需要首先点击转换成最简逻辑表达式，再点击由程序自动设计出D得逻辑电路。(图1.2 D最简逻辑表达式转换结果）(图1.3 D的逻辑电路）1.1.2 进位S设计 以相同的

7、方式设计S的电路得到如下：(图1.4 S的最简逻辑表达式） （图1.5 S的逻辑电路图）1.1.3 将S与D电路组合将D电路和S电路分别设计成子电路，组合成一个完整电路:通过“放置（P)”菜单中的“放置子电路”选项分别设计D子电路和S子电路，并且组合：（图1.6 全加器）1.1.4 利用逻辑转换仪验证利用逻辑转换仪按钮对该全加器电路逻辑分析：（图1.7 仿真结果）透过对比图1.1.8所示结果与图1.1.2所示真值表，得到如下结论：该全加器完全符合其设计要求的逻辑关系。1.2 逻辑分析仪：（图1.8 逻辑分析仪）逻辑分析仪的可以同时对16路数字逻辑信号高速采集和时序分析。逻辑分析仪应用实例同步计

8、数器：利用同步二进制计数芯片74LS163设计简单二进制计数器，要求计数范围511，而且循环计数；说 明/CLR/LOADCLKENTENPQDQCQBQARCO1111计数10DBCA数据置入O0000清零011111（表1-2 74LS163N的真值表)由已知得到该逻辑显示范围为是，可见当时，重新数据置入，可见需要一个与非门控制数据的置入，故在设计中加入74LS10N。计数顺序电路状态等效十进制10101520110630111741000851001961010107101111(表1-3 电路状态转换表）设计电路图如下：(图1.9 设计电路图）为了使实验现象更加直观，则设置函数发生器参

9、数为：幅度为,占空比为，频率为。并且在仪器界面的时钟区选择设置按钮在弹出对话框中设置时钟频率为：（图1.10 设置）利用逻辑分析仪分析函数发生器输入的时钟和输出结果，并且利用记录分析仪所得的逻辑关系：（图1.11 记录结果） （图1.12 逻辑分析仪界面显示）观察图1.2.6与图1.2.7所示结果与图十2所示逻辑转换关系，分析后得到：该电路可以实现5到11的计数功能。1.3 字信号发生器：字信号发生器是能够产生32路（位）同步逻辑信号的多路逻辑信号源，可用于对数字逻辑电路的测试。字信号发生器的应用编码器和译码器的逻辑功能的测试： （图1.13 字信号发生器）1.3.1 编码器：输 入输 出11

10、11111111111001100101110111000011110010111110100111111011011111111000111111111010111111111110表1-4 74LS147的功能表）为了仿真验证74LS147N的逻辑功能，构建仿真电路，如图1.3.4所示，其中数据输入端，用字信号发生器为其收入数据，如图1.3.3所示；编码输出端接4个发光二极管,显示其输出状态，当二极管点亮时，表示状态“1”，当二级管熄灭时，表示状态“0”。（图1.14 编码器仿真实验电路）（图1.15 字信号发生器产生的数据）某时刻的仿真结果如图1.3.3所示，通过在字信号发生器工作界面设

11、置断点的的方法，观察发现仿真结果完全符合图1.3.2所示功能逻辑。1.3.2 译码器：为了仿真验证74LS148N的逻辑功能，构建仿真电路，如图1.3.7所示，其中数据输入端，用字信号发生器为其收入数据，如图1.3.6所示；编码输出端接8个发光二极管,显示其输出状态，当二极管点亮时，表示状态“1”，当二级管熄灭时，表示状态“0”。控 制输 入输 出11111111101011111111010000011111110100011011111101001011011111010011111011110101001111011101010111111011010110111111010101111

12、1111110010(表1-5 74LS148管脚逻辑功能）（图1.16 译码器仿真电路）（图1.17 字信号发生器产生的数据）某时刻的仿真结果如图1.3.6所示，在字信号发生器工作界面设置控制方案为步进，观察一个周期的仿真结果，发现该电路八个发光二极管依次点亮，完全符合译码器74LS148的逻辑功能。以上为Multisim为用户提供的三个数字电路特有的仿真仪器，利用它们，我们可以实现从基本门电路到较为复杂的数字电路系统的仿真。第二节 555定时器在数字电路系统中，555定时器有着非常重要的作用。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，它性能优良，适用范围广，在外部加接少量阻容元件就可

13、以构成多谐振荡器及单稳态触发器，广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。下面利用Multisim对555定时器的功能仿真验证：清零端高端触发低端触发放电管功能00导通直接清零10导通置011截止置11不变保持（表2-1 555定时器功能表）1.1 由555定时器构成的多谐振荡器 （图2. 1 多谐振荡器电路原理图） 2.1.1 重点理论多谐振荡器的振荡周期，其中为电容充电时间，为电容放电时间： 因此，可以通过改变的值，改变矩形波的周期与频率。矩形波占空比：。对下列555定时器构成的多谐振荡器进行仿真：（图2. 2 多谐振荡器仿真电路）2.1.2 仿真过程 a. 首先根据上述公式可得到

14、如下数据： b. 仿真结果如下：（图2. 3 仿真结果显示一）（图2.4 仿真结果显示二）观察仿真结果得到如下数据：对比后，得到结论：方波周期基本一致，占空比基本一致，仿真结果与理论值相符。2.2 由555定时器构成的单稳态触发器（图2.5 单稳态触发器原理图） 2.2.1 重点理论输出电压维持高电平的时间取决于的充电时间，当时，电容上充电电压：.所以输出电压的脉冲宽度：。2.2.2 仿真过程（图2.6 单稳态触发器仿真电路）a. 首先根据上述公式可得到如下数据：b. 仿真结果如下：（图2.7 仿真结果）观察仿真结果得到如下数据：对比后，得到结论：脉冲宽度与理论值接近，仿真结果与理论相符。由于

15、555定时器可以简单快捷的构建单稳态触发器、多谐振荡器等数字电路系统，使用灵活、功能齐全，因而在定时、检测、报警、家用电器、电子玩具、波形产生和变换方面得到了广泛应用。结论数字电子技术的理论学习过程中存在两点不足：一是学生是被动接受电路原理和运行结果，不能完全理解电路工作过程，学习积极性没有完全激发出来；二是在有限的学时内，实验内容只能是有选择性的，不能够面面俱到。如果将电子电路计算机仿真和EDA等新技术引入到教学过程中，学生在接受理论知识的同时，通过仿真软件运行观察电路的功能和特性，加深对电路的理解，更容易掌握所学的内容，从而提高学习的兴趣。应用Multisim软件可以方便地建立各种设计电路

16、，不需要昂贵的实验设备，计算机可以提供安全有效的设计环境，其电路结构及设计观念可以很容易地被修改；设计者除了可以借助屏幕上的编辑器很方便地更换适合电路规格需要的元件外，还能直接用计算机模拟、分析、验证，可快速准确地反映出所设计的电路性能。Multisim软件具有形象且易于掌握的优点，特别适合于高校电子信息工程、通信工程、自动化、电气控制工程类专业的学生进行综合性的电路设计和实验，因为它不但能够很好地培养学生的动手能力，而且加强了学生对电子电路的分析、综合能力，有利于提高学生的创新能力。但是它和实际电路还有差距，就是仿真也会出现一些意想不到的问题，只有熟悉它，不断分析和总结，才能够应用自如。参考

17、文献 张新喜等.Multisim 10 电路仿真及应用.北京：机械工业出版社.2010,1; 聂典，丁伟.Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用.北京：电子工业出版 社.2009,7 刘刚等.Multisim & Ultiboard 10 原理图及PCB设计.北京：电子工业出版社.2009,6 邵忠良等.Multisim及其在电子设计中的应用.机电产品开发与创新.2006,5.第19卷第3期 陈志贵等.Multisim在数字电子设计中的应用技巧.机电产品开发与创新.2007,3.第20卷第2期 郭映.Multisim l0仿真软件在数字电路教学中的应用.计算机与现代化.2010.第7期