基于Multisim仿真軟件的觸發(fā)器工作波形分析

0 引言
??? 觸發(fā)器是具有存儲功能的器件，在數(shù)字電子技術(shù)中用于構(gòu)成各種時序邏輯電路。觸發(fā)器有多種類型：按觸發(fā)方式分為電平觸發(fā)、主從觸發(fā)、邊沿觸發(fā)；按邏輯功能分為RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器等。觸發(fā)器的特性用觸發(fā)方式和邏輯功能進行描述，觸發(fā)方式?jīng)Q定狀態(tài)變化特點，即接收輸入信號改變狀態(tài)的方式；邏輯功能決定狀態(tài)變化的方向，即次態(tài)值。用時序圖即波形圖可直觀描述觸發(fā)器的特性。由于受實驗儀器的限制無法對觸發(fā)器工作波形進行硬件實驗驗證，主要因為現(xiàn)有的信號發(fā)生器不能產(chǎn)生多路同步信號，現(xiàn)有的示波器多為雙蹤示波器無法同時觀測多路波形。

??? 用Multisim軟件仿真可解決上述問題。Multisim仿真軟件是由加拿大Interactive Image Technologies公司開發(fā)的一種基于SPICE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的EDA軟件，它就像一個真正的實驗工作臺，將電路原理圖的輸入、虛擬儀器的測試分析和結(jié)果的圖形顯示等集成到一個設(shè)計窗口。

??? 在用Multisim仿真軟件進行觸發(fā)器工作波形仿真分析時，用虛擬儀器中的字組產(chǎn)生器做實驗中的信號源產(chǎn)生所需的各種輸入波形，用邏輯分析儀觀測輸入、輸出波形。

??? 以下分析用Multisim 2001版本，所得結(jié)論適于其他版本。

1 觸發(fā)器工作波形Muitisim仿真實驗方法

1．1 創(chuàng)建電路

??? 從TTL數(shù)字IC庫中找出集成觸發(fā)器或找出用于連接成觸發(fā)器的集成邏輯門放置在工作臺合適的位置。從虛擬儀器庫中找出字組產(chǎn)生器、邏輯分析儀放置在工作臺合適的位置。確定字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器所需的時鐘脈沖、數(shù)據(jù)輸入、異步控制等信號，邏輯分析儀所顯示的波形。將集成門連接成觸發(fā)器再接上字組產(chǎn)生器和邏輯分析，或?qū)⒓捎|發(fā)器接上字組產(chǎn)生器和邏輯分析。

1．2 設(shè)置字組產(chǎn)生器

??? (1)根據(jù)觸發(fā)器的觸發(fā)方式、邏輯功能，確定反映邏輯功能及狀態(tài)變化特點的字組產(chǎn)生器各個輸出信號即字組的內(nèi)容及地址。
??? (2)雙擊打開字組產(chǎn)生器，在Address區(qū)塊的Final字段輸入末地址，在Edit區(qū)塊以16進制(Hex字段)或以ASCII碼(ASCII字段)或以二進制(Binary字段)依次輸入各字組數(shù)據(jù)，完成所有字組信號的設(shè)置。

1．3 仿真運行分析

??? 雙擊打開邏輯分析儀，按下仿真開關(guān)開始仿真，分析顯示仿真實驗波形。

2 觸發(fā)器工作波形Multisim仿真實驗舉例

??? (1)仿真實驗電路創(chuàng)建
??? 用74LS00與非門連接成主從JK觸發(fā)器構(gòu)建仿真實驗電路如圖1所示。

??? 其中：為異步置0輸入信號；為異步置1輸入信號；J，K為數(shù)據(jù)輸入信號；CP為時鐘脈沖輸入信號；Qm，為主觸發(fā)器的狀態(tài)輸出信號；Q，為狀態(tài)輸出信號。端接電源，異步置1功能無效；用于設(shè)置Q=0的初始狀態(tài)。
??? 字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP，J，K及信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，J，K，，Qm，，Q及信號波形。
??? (2)確定反映觸發(fā)器狀態(tài)變化特點及邏輯功能的字組產(chǎn)生器輸出信號即字組的內(nèi)容及地址。
??? ①主從觸發(fā)方式觸發(fā)器狀態(tài)變化特點為：
??? 在CP=1期間接收輸入信號，在CP下降沿改變狀態(tài)，且有一次變化問題。
??? 表示JK觸發(fā)器邏輯功能的特性方程為：
???
??? ②設(shè)計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將J，K輸入信號設(shè)計成在CP=O，1期間有變化，以驗證主從觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。輸入波形設(shè)計、字組數(shù)據(jù)及地址如圖2所示。

③在字組產(chǎn)生器的Address區(qū)塊的Final字段輸入字組數(shù)據(jù)的末地址0024，在Edit區(qū)塊以16進制(Hex字段)依次輸入各字組數(shù)據(jù)0，8，C，D，B，D，B，D，C，8，E，E，F(xiàn)，B，D，B，D，C，E，A，A，B，9，F(xiàn)，9，F(xiàn)，E，C，E，A，B，F(xiàn)，9，F(xiàn)，9，8，8，完成所有字組信號的設(shè)置，如圖3所示。

??? (3)仿真運行分析
??? 打開邏輯分析儀，按下仿真開關(guān)開始仿真，邏輯儀分析顯示波形如圖4所示。

??? 圖4中，“11”為CP時鐘脈沖波形；“15”為J輸入波形；“12”為K輸入波形；“13”為異步置輸入波形；“4”為Qm狀態(tài)輸出波形；“3”為狀態(tài)輸出波形；“7”為Q狀態(tài)輸出波形；“8”為狀態(tài)輸出波形。
??? 通過波形圖可以很直觀地看出，在CP=1期間，主觸發(fā)器接收J，K輸入信號改變Qm，端狀態(tài)，在CP下降沿觸發(fā)器改變Q，狀態(tài)。不論CP=1期間J，K怎么變化，主觸發(fā)器Qm，最多只變化一次。
??? 當(dāng)Qn=O在CP=1時，J由0變1，或Qn=1，在CP=1時K由O變1，在這兩種情況下，才產(chǎn)生一次變化現(xiàn)象。和由特性方程得出Qn=0時Qn+1=J，Qn=1時Qn+1=的規(guī)律相符合。

2．2其他功能和觸發(fā)方式觸發(fā)器工作波形仿真實驗

??? (1)同步RS觸發(fā)器工作波形仿真實驗
??? 仿真實驗電路用74LS00與非門連接構(gòu)成。
??? 字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP時鐘脈沖輸入信號、R，S數(shù)據(jù)輸入信號及異步置0輸入信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，R，S，及狀態(tài)輸出Q，信號波形。
??? 設(shè)計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將R，S輸入信號設(shè)計成在CP=0，1期間有變化，并有CP=1期間R=S=1，以驗證電平觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。
??? (2)上升沿D觸發(fā)器工作波形
??? 仿真實驗仿真實驗電路用74LS74上升沿D觸發(fā)器。
??? 字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP時鐘脈沖輸入信號、D數(shù)據(jù)輸入信及異步置0輸入信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，D，及狀態(tài)輸出Q，信號波形。
??? 設(shè)計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將D輸入信號設(shè)計成在CP上升沿時刻不變，在CP=0及CP=1期間有變化，以驗證上升沿觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。
??? (3)負邊沿JK觸發(fā)器工作波形仿真實驗
??? 仿真實驗電路用74LS112負邊沿JK觸發(fā)器。
??? 字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP時鐘脈沖輸入信號、J，K數(shù)據(jù)輸入信號及異步置0輸入信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，J，K，及狀態(tài)輸出Q，信號波形。
??? 設(shè)計字組產(chǎn)生器輸出信號時，將J，K輸入信號設(shè)計成在CP下降沿時刻不變，在CP=0及CP=1期間有變化，以驗證下降沿觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點。

3 結(jié)語

??? 用Multisim仿真軟件進行觸發(fā)器工作波形仿真分析，可直觀描述觸發(fā)器的工作特性。
??? 仿真實驗的關(guān)鍵是反映狀態(tài)變化特點的輸入波形的設(shè)計即字組產(chǎn)生器字組內(nèi)容的設(shè)計。