Multisim在觸發(fā)器工作波形分析中的應(yīng)用

0 引言
    觸發(fā)器是具有存儲(chǔ)功能的器件，在數(shù)字電子技術(shù)中用于構(gòu)成各種時(shí)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(jìn)行描述，觸發(fā)方式?jīng)Q定狀態(tài)變化特點(diǎn)，即接收輸入信號(hào)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(shí)序圖即波形圖可直觀描述觸發(fā)器的特性。由于受實(shí)驗(yàn)儀器的限制無(wú)法對(duì)觸發(fā)器工作波形進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要因?yàn)楝F(xiàn)有的信號(hào)發(fā)生器不能產(chǎn)生多路同步信號(hào)，現(xiàn)有的示波器多為雙蹤示波器無(wú)法同時(shí)觀測(cè)多路波形。
    用Multisim軟件仿真可解決上述問(wèn)題。Multisim仿真軟件是由加拿大Interactive Image Technologies公司開(kāi)發(fā)的一種基于SPICE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的EDA軟件，它就像一個(gè)真正的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，將電路原理圖的輸入、虛擬儀器的測(cè)試分析和結(jié)果的圖形顯示等集成到一個(gè)設(shè)計(jì)窗口。
    在用Multisim仿真軟件進(jìn)行觸發(fā)器工作波形仿真分析時(shí)，用虛擬儀器中的字組產(chǎn)生器做實(shí)驗(yàn)中的信號(hào)源產(chǎn)生所需的各種輸入波形，用邏輯分析儀觀測(cè)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(shí)驗(yàn)方法
1．1 創(chuàng)建電路
    從TTL數(shù)字IC庫(kù)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(tái)合適的位置。從虛擬儀器庫(kù)中找出字組產(chǎn)生器、邏輯分析儀放置在工作臺(tái)合適的位置。確定字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器所需的時(shí)鐘脈沖、數(shù)據(jù)輸入、異步控制等信號(hào)，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(diǎn)的字組產(chǎn)生器各個(gè)輸出信號(hào)即字組的內(nèi)容及地址。
    (2)雙擊打開(kāi)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(jìn)制(Hex字段)或以ASCII碼(ASCII字段)或以二進(jìn)制(Binary字段)依次輸入各字組數(shù)據(jù)，完成所有字組信號(hào)的設(shè)置。
1．3 仿真運(yùn)行分析
    雙擊打開(kāi)邏輯分析儀，按下仿真開(kāi)關(guān)開(kāi)始仿真，分析顯示仿真實(shí)驗(yàn)波形。

2 觸發(fā)器工作波形Multisim仿真實(shí)驗(yàn)舉例
2．1 主從JK觸發(fā)器工作波形仿真實(shí)驗(yàn)
    (1)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。

    其中：為異步置0輸入信號(hào)；為異步置1輸入信號(hào)；J，K為數(shù)據(jù)輸入信號(hào)；CP為時(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)；Qm，為主觸發(fā)器的狀態(tài)輸出信號(hào)；Q，為狀態(tài)輸出信號(hào)。端接電源，異步置1功能無(wú)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(hào)，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，J，K，，Qm，，Q及信號(hào)波形。
    (2)確定反映觸發(fā)器狀態(tài)變化特點(diǎn)及邏輯功能的字組產(chǎn)生器輸出信號(hào)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(diǎn)為：
    在CP=1期間接收輸入信號(hào)，在CP下降沿改變狀態(tài)，且有一次變化問(wèn)題。
    表示JK觸發(fā)器邏輯功能的特性方程為：
   
    ②設(shè)計(jì)字組產(chǎn)生器輸出信號(hào)時(shí)，將J，K輸入信號(hào)設(shè)計(jì)成在CP=O，1期間有變化，以驗(yàn)證主從觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點(diǎn)。輸入波形設(shè)計(jì)、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(jìn)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(hào)的設(shè)置，如圖3所示。

    (3)仿真運(yùn)行分析
    打開(kāi)邏輯分析儀，按下仿真開(kāi)關(guān)開(kāi)始仿真，邏輯儀分析顯示波形如圖4所示。

    圖4中，“11”為CP時(shí)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(guò)波形圖可以很直觀地看出，在CP=1期間，主觸發(fā)器接收J(rèn)，K輸入信號(hào)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(shí)，J由0變1，或Qn=1，在CP=1時(shí)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(shí)Qn+1=J，Qn=1時(shí)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(shí)驗(yàn)
    (1)同步RS觸發(fā)器工作波形仿真實(shí)驗(yàn)
    仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)、R，S數(shù)據(jù)輸入信號(hào)及異步置0輸入信號(hào)，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，R，S，及狀態(tài)輸出Q，信號(hào)波形。
    設(shè)計(jì)字組產(chǎn)生器輸出信號(hào)時(shí)，將R，S輸入信號(hào)設(shè)計(jì)成在CP=0，1期間有變化，并有CP=1期間R=S=1，以驗(yàn)證電平觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點(diǎn)。
    (2)上升沿D觸發(fā)器工作波形
    仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)、D數(shù)據(jù)輸入信及異步置0輸入信號(hào)，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，D，及狀態(tài)輸出Q，信號(hào)波形。
    設(shè)計(jì)字組產(chǎn)生器輸出信號(hào)時(shí)，將D輸入信號(hào)設(shè)計(jì)成在CP上升沿時(shí)刻不變，在CP=0及CP=1期間有變化，以驗(yàn)證上升沿觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點(diǎn)。
    (3)負(fù)邊沿JK觸發(fā)器工作波形仿真實(shí)驗(yàn)
    仿真實(shí)驗(yàn)電路用74LS112負(fù)邊沿JK觸發(fā)器。
    字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP時(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)、J，K數(shù)據(jù)輸入信號(hào)及異步置0輸入信號(hào)，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP，J，K，及狀態(tài)輸出Q，信號(hào)波形。
    設(shè)計(jì)字組產(chǎn)生器輸出信號(hào)時(shí)，將J，K輸入信號(hào)設(shè)計(jì)成在CP下降沿時(shí)刻不變，在CP=0及CP=1期間有變化，以驗(yàn)證下降沿觸發(fā)方式的狀態(tài)變化特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)
    用Multisim仿真軟件進(jìn)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(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是反映狀態(tài)變化特點(diǎn)的輸入波形的設(shè)計(jì)即字組產(chǎn)生器字組內(nèi)容的設(shè)計(jì)。