門電路延遲時間的Multisim仿真測試方案

摘  要：介紹了用Multisim 仿真軟件測試門電路延遲時間的方法，提出了三種測試方案，即將奇數(shù)個門首尾相接構(gòu)成環(huán)形振蕩電路，用虛擬示波器測試所產(chǎn)生振蕩信號的周期，計算門的傳輸延遲時間；奇數(shù)個門首尾相接構(gòu)成環(huán)形振蕩電路，用虛擬示波器測試其中一個門的輸入信號、輸出信號波形及延遲時間；在一個門的輸入端加入矩形脈沖信號，測試一個門的輸入信號、輸出信號波形及延遲時間。所述方法的創(chuàng)新點是，解決了受示波器上限頻率限制實際硬件測試效果不明顯的問題,并給出Multisim 軟件將門的初始輸出狀態(tài)設(shè)置為0 時，使測試電路不能正常工作的解決方法。

　　0   引  言

　　門電路的傳輸延遲時間tpd 是表示工作速度的指標，實驗室硬件測量的一般方法是，將N 個門( N為奇數(shù)) 首尾相接構(gòu)成振蕩周期為T = 2N tpd的環(huán)形振蕩電路，用示波器通過顯示的波形測量出振蕩周期T后，再計算出傳輸延遲時間tpd。

　　由于門的傳輸延遲時間tpd 很短，測量時受示波器上限頻率限制，測量效果較差，而用Mult isim 軟件仿真測試，可獲得理想的實驗效果。

　　以下分析用Mult isim 2001版本，所得結(jié)論也適于其他版本。

　　1   Multisim仿真測試方案

　　1. 1   測試方案1

　　將奇數(shù)個門首尾相接構(gòu)成環(huán)形振蕩電路，用虛擬示波器測試所產(chǎn)生振蕩信號的周期，計算門的傳輸延遲時間。

　　設(shè)所用門的個數(shù)為N ，振蕩信號的周期為T ，則傳輸延遲時間為：

　　以反相器74LS04N 作為仿真實驗器件，構(gòu)建仿真實驗電路如圖1 所示。

圖1  測試方案1 的仿真實驗電路

　　由于Mult isim 軟件將每個門的初始輸出狀態(tài)設(shè)置為0，直接用奇數(shù)個門首尾相接構(gòu)成環(huán)形振蕩電路進行仿真時，出現(xiàn) " nable to determine the simulatiONtimeSTep automatically" 的提示，無法同步仿真模擬。

　　解決的方法是在左邊第一個門U1A 的輸入端接入轉(zhuǎn)換開關(guān)J1 ，仿真時先將開關(guān)J1 置于接地狀態(tài)，電路對輸入的0 信號進行處理后便脫離設(shè)置的初始輸出狀態(tài)，再將轉(zhuǎn)換開關(guān)J1 置于接輸出端構(gòu)成環(huán)形振蕩電路。

　　仿真前，可對74LS04N 的上升延遲時間及下降延遲時間進行設(shè)置，如設(shè)置r ise delay= 10 ns，fall delay=10 ns。

　　仿真時示波器顯示的波形及振蕩周期測試如圖2所示。

　　測試的振蕩周期T = 102. 2 ns，則傳輸延遲時間tpd= T/ ( 2N ) = 102. 2/ 10= 10. 22 ns，結(jié)果與設(shè)定值基本一致。

圖2  圖1 電路輸出波形及振蕩周期測試

　　1. 2   測試方案2

　　將奇數(shù)個門首尾相接構(gòu)成環(huán)形振蕩電路，用虛擬示波器測試其中一個門的輸入信號、輸出信號波形及延遲時間。

　　以反相器74LS04N 作為仿真實驗器件，構(gòu)建仿真實驗電路如圖3 所示。

圖3   測試方案2 的仿真實驗電路

　　仿真前，可對74LS04N 的上升延遲時間及下降延遲時間進行設(shè)置，如設(shè)置r ise delay= 10 ns，fall delay=10 ns。

　　仿真時示波器顯示的輸入信號、輸出信號波形及延遲時間測試如圖4 所示。

圖4  圖3 電路輸入、輸出波形及延遲時間測試

　　測試的傳輸延遲時間tpd = 11. 1 ns，測量結(jié)果與設(shè)定值基本一致。

　　1. 3   測試方案3

　　在一個門的輸入端加入矩形脈沖信號，測試一個門的輸入信號、輸出信號波形及延遲時間。外加信號的周期T = 2N tpd ，以保證門的工作頻率和前述其他測試方法相同。

　　以反相器74LS04N 作為仿真實驗器件，構(gòu)建仿真實驗電路如圖5 所示，信號發(fā)生器輸出矩形脈沖的頻率選為10 MHz。

圖5  測試方案3 的仿真實驗電路

　　仿真前，可對74LS04N 的上升延遲時間及下降延遲時間進行設(shè)置，如設(shè)置rise delay= 10 ns，fall delay=10 ns。

　　仿真時示波器顯示的輸入信號、輸出信號波形及延遲時間測試如圖6 所示。

圖6  圖5 電路輸入、輸出波形及延遲時間測試

　　測試的傳輸延遲時間tpd = 11. 0 ns，測量結(jié)果與設(shè)定值基本一致。

　　2   誤差分析

　　上述三種測試方案的測試結(jié)果表明存在誤差，原因是組成測試電路時門的輸入端、輸出端接入測試儀器,使門的輸入端、輸出端存在負載效應(yīng)，從而使延遲時間略大于設(shè)定值。

　　在測試方案1 中，示波器接至一個門的輸出端，僅對門的輸出端產(chǎn)生影響；測試方案2、3 中，示波器接至一個門的輸入端、輸出端，對門的輸入端、輸出端均產(chǎn)生影響。所以測試方案1 測試的延遲時間小于測試方案2、3；測試方案2、3 測試的延遲時間基本相同。

　　3   結(jié)  語

　　Mult isim 軟件仿真具有豐富的仿真分析能力，但也存在一些問題及不足，使用時必須認真分析思考軟件的設(shè)置條件，改進仿真實驗方法，才能達到預(yù)期的實驗效果。

　　所述方法具有實際應(yīng)用意義，這些方法亦可用于其他功能邏輯門傳輸時間的仿真測試。