数字电路的软件仿真Multisim10的应用

第十章第十章 数字电路的软件仿真数字电路的软件仿真 Multisim 10的应用的应用 10.1 概述10.2 根本操作方法本章小结本章小结10.3 实验电路生成方法10.4 数字电路仿真10.5 仿真模式设置10.6 模拟电路仿真学习目标学习目标了解了解EDAEDA软件的功能软件的功能了解构建仿真电路的根本过程了解构建仿真电路的根本过程了解虚拟设备与仿真了解虚拟设备与仿真 Multisim10具有以下主要特点：具有以下主要特点：1集成化、一体化的人性设计环境集成化、一体化的人性设计环境 2界面友好、操作简单界面友好、操作简单 3真实的仿真平台真实的仿真平台 4分析方法多而强分析方法多而强 5.可以跨平台作业可以跨平台作业10.1.1 功能与特点功能与特点10.1 概述10.1.2 运行环境要求运行环境要求 名称名称名称名称 最最最最 小小小小 配配配配 置置置置 推推推推 荐荐荐荐 配配配配 置置置置操作系统操作系统操作系统操作系统Windows NT4/SP6/XPWindows NT4/SP6/XPWindows XPWindows XP处理器处理器处理器处理器Inter Pentium III Inter Pentium III AMD K6AMD K6Pentium IV Pentium IV AMD K7AMD K7内存内存内存内存256MB RAM 256MB RAM 512 MB RAM512 MB RAM光驱光驱光驱光驱CD-ROMCD-ROMCD-ROMCD-ROM显示分辨率显示分辨率显示分辨率显示分辨率80060080060010247681024768硬盘空间余量硬盘空间余量硬盘空间余量硬盘空间余量720MB720MB1GB1GB10.1.3 汉化方法汉化方法Multisim10 目前没有官方的汉化版本，有一目前没有官方的汉化版本，有一些不是很专业的汉化软件，由于汉化软件并些不是很专业的汉化软件，由于汉化软件并非专业，翻译的内容不是很准确，因此汉化非专业，翻译的内容不是很准确，因此汉化后软件菜单与实际内容会有一定的差异，建后软件菜单与实际内容会有一定的差异，建议用原版软件，同时安装一个可以在线翻译议用原版软件，同时安装一个可以在线翻译的程序，借助于在线翻译软件，可以大致了的程序，借助于在线翻译软件，可以大致了解专业词汇，还可以熟悉一下专业英语。解专业词汇，还可以熟悉一下专业英语。10.2 根本操作方法10.2.1 工作界面构成工作界面构成10.2.2 软件菜单软件菜单10.2.1 工作界面电路描述框元器件菜单基本工具栏主菜单图形注解工具仿真仪表栏“在用器件”列表在用电路列表器件列表察看电路窗口运行开关运行状态栏运行时间 状态10.2.2 软件菜单软件菜单File File 文件管理操作文件管理操作文件管理操作文件管理操作Edit Edit 文件编辑文件编辑文件编辑文件编辑View View 工作区域状态显示工作区域状态显示工作区域状态显示工作区域状态显示Place Place 元器件操作元器件操作元器件操作元器件操作MCU MCU 微处理器微处理器微处理器微处理器Simulate Simulate 仿真方式选择仿真方式选择仿真方式选择仿真方式选择Transfer Transfer 文件格式转换文件格式转换文件格式转换文件格式转换Tools Tools 各种工具各种工具各种工具各种工具ReportReport 电路状态列表电路状态列表电路状态列表电路状态列表Options Options 软件设置选项软件设置选项软件设置选项软件设置选项Windows Windows 视窗视窗视窗视窗Help Help 帮助帮助帮助帮助1.主菜单：主菜单：包含软件所有操作和功能包含软件所有操作和功能2.主元器件菜单：主元器件菜单：(Components)元器件放置菜单元器件放置菜单 电源基本元件二极管三极管模拟器件混合器件显示器件TTLCMOS多种数字器件电源器件外围设备RF器件MCU总线其它器件电机子电路主元器件每一项菜单都是个类别，其中有许多同类型器件可供选择。3.仪器仪表菜单：(Instruments)虚拟仪器汇总 VIABGTABCDGTINOUT123CQT1FRTXOXXOO0161531A BTektronix1234TGPAgilentAgilentP1P2TINTHDAgilent万万用用表表信信号号发发生生器器双双踪踪示示波波器器四四踪踪示示波波器器波波特特仪仪频频率率计计字符信号发生器字符信号发生器逻逻辑辑分分析析仪仪阶阶梯梯仪仪逻逻辑辑转转换换仪仪失失真真分分析析仪仪频频谱谱分分析析仪仪网网络络分分析析仪仪安安 捷捷伦伦信信号号 发发生生器器安安捷捷伦伦万万用用表表信信号号测测量量探探头头安捷伦示波器安捷伦示波器LabVIEW仪器仪器T TE EK K示示波波器器电电流流互互感感器器功功率率表表10-5 仪器仪表菜单介绍仪器仪表菜单介绍4.主菜单各栏目主菜单各栏目文件管理文件管理 文件管理主要是对软件新建、调用等软件根本工作工程的管理。与大多软件一样，程序内部有许多仿真样例可供参考，建议首次使用者，首先调用样例进行参考模拟。这样将会事半功倍。翻开示范文件翻开示范文件 文件编辑文件编辑 排序旋转电路电路(元件元件)属性查看修改属性查看修改 电路(元件)属性印制板（PCB）电路图幅连接线字体可视性 电路查看电路查看 查看图形仿真结果：Grapher View图形记录仪记录下的示波器仿真图形图形记录仪记录下的示波器仿真图形 元器件元器件(PLACE)放置菜单放置菜单 元器件放置有几种方法：元器件放置有几种方法：从器件放置菜单中选择对应项后再选从器件放置菜单中选择对应项后再选定器件型号；定器件型号；从软件快捷项工具栏中共有从软件快捷项工具栏中共有12项与项与元器件有关项中直接选取。元器件有关项中直接选取。节点节点从从Place菜单项放置器件、节点、连接线菜单项放置器件、节点、连接线从从Components等快捷菜单项选择取、放置器等快捷菜单项选择取、放置器件件各类元器件汇总各类元器件汇总MCU绘图工具绘图工具虚拟器件虚拟器件电源器件电源器件晶体管晶体管信号源信号源测量元件测量元件混合器件混合器件根本器件根本器件特定器件特定器件二极管二极管模拟模拟器件器件MCU编辑菜单编辑菜单 无MCU元器件MCU格式编译MCU窗口显示行号跳转to超越到跳出到光标设置断点取消断点暂停MCU选取菜单选取菜单 电路仿真运行菜单电路仿真运行菜单 后处理后处理分析仪器缺省初始值分析仪器缺省初始值初始条件初始条件分析手段分析手段(仿真仿真)开始时间开始时间(仿真仿真)结束时间结束时间设置最大时间步长设置最大时间步长最大时间步长最大时间步长自动调整时间步长自动调整时间步长其它选项其它选项设置初始时间步长设置初始时间步长初始时间步长初始时间步长估算最大时间步长估算最大时间步长分析选项设为缺省值分析选项设为缺省值电路仿真菜单设置电路转换电路转换 转换到转换到Ultiboard 10转换到转换到Ultiboard 9输出至输出至PCB注释到注释到Ultiboard 10注释到注释到Ultiboard 9及以前版本及以前版本从从Ultiboard 写回注释写回注释高亮高亮Ultiboard 选项选项输出电路网络表输出电路网络表 转换转换转换转换 工具箱工具箱 电路参数列表电路参数列表 网络清单网络清单参数设置选项参数设置选项 新建窗口新建窗口关闭窗口关闭窗口关闭所有关闭所有层叠窗口层叠窗口水平排列水平排列垂直排列垂直排列在线电路名称在线电路名称窗口设置菜单窗口设置菜单帮助菜单帮助菜单 10.3 实验电路生成方法实验电路生成方法10.3.1 选择元器件：选择元器件：Select a Component元器件搜索菜单元器件搜索菜单10.3.2 设置电源、信号源、接地端设置电源、信号源、接地端Multisim10元器件引脚连接线是自动产生的，当鼠标箭头在器件引脚(或某一节点)的上方附近时，会自动出现一个小十字节点标记，按动鼠标左键连接线就产生了，将引线拖至另外一个引脚处出现同样一个小十字节点标记时，再次按动鼠标左键就可以连接上了。如果要得到折线，就必须在连接线直角处拖动引线产生折线，如以下图所示圆圈处为拖动点。拖动前拖动前拖动后拖动后修改器件属性和参数采用原理图设置显示标签显示器件值显示初始值显示误差显示参考名称显示属性显示管脚号显示管脚名显示变量按系统显示管脚名按系统显示管脚号重置文本位置信息标签 显示 值 故障 管脚 变量 用户区域所属器件所属器件原来位置原来位置移动后位置移动后位置器件型号器件型号器件参数显示数值调整过程器件参数显示数值调整过程移动过程移动过程 移动后移动后 移动移动前前元器件参数数值显示位置的修改是为了图面个性化显示的需要，也为了图面清晰整洁。提取器件逻辑符号，提取器件逻辑符号，获取器件方法简要说明获取器件方法简要说明 所所有有器器件件功功能能表表功功能能表表说说明明 本本器器件件10.3.5 电路规那么检查错错误误标标记记点点错错误误提提示示如果程序运行出现故障，可以在如果程序运行出现故障，可以在Tools菜单项中运菜单项中运行行Electrical Rules Check，得到错误标记和提示。，得到错误标记和提示。10.3.6 选择测试仪器仪表万用表信号源功率表二踪示波器四踪示波器波特仪频率计字符发生器逻辑分析仪逻辑转换仪阶梯仪失真分析仪频谱仪网络分析仪安捷伦信号源安捷伦万用表安捷伦示波器泰克示波器测量探头LabView仪表电流探头 要取得电路仿真结果，就需要选择适宜的测试仪器仪表，以获取仿真的结果，从仪器仪表中得到的仿真的结果根本与实际测试结果一致。如：TEK示波器、安捷伦仪器都是仿照实际设备设计的，如果想熟练掌握、运用这些仪器设备，最好找一本相关设备的说明书，在运用中才能得心应手。10.4 数字电路仿真数字电路仿真的根本要求1要熟悉器件 使用Multisim10对数字逻辑电路进行分析与设计，必须要掌握几点：对器件可以直接调用，再按照原理图搭建电路后再进行分析和设计；对不熟悉的器件应该从帮助菜单或器件属性修改界面的“Info选项进入，查找器件的功能和使用方法，参照图10-31，或查找其它相关资料。2选择、设置适宜的信号源选择、设置适宜的信号源 用信号源、振荡电路均可产生连续的数字信号，也可用开关、或对信号源、振荡电路设置产生控制脉冲信号。频率、占空比等动态参数设置对于仿真结果起很大的作用。正负脉冲信号源设置界面正脉冲幅值负脉冲幅值偏移电压占空比频率/周期上升时间下降时间延时/延时率有效占空比替换三种综合信号发生器虚拟综合信号发生器安捷伦信号发生器LabView信号发生器(3)获取仿真结果形式：直流工作点电路参数值图形有数码和波形两种谐波分析数据以文字方式为主数据、图形 数字脉冲专用测试仪频率计，包含脉冲的许多参数指标。TEK四通道示波器。与实际示波器使用方法相似，可以参阅TEK同类型任意一款数字示波器的使用说明书，就可以大致了解TEK示波器使用方法了。Agilent示波器。使用方法与TEK示波器大同小异，唯一的区别是：Agilent示波器是MSO数模混用示波器。有16个逻辑通道，2个模拟通道。TEK示波器Agilent示波器10.4.2 组合逻辑电路的仿真1逻辑函数的化简 前面章节我们学过逻辑函数的化简，公式法和卡诺图法。公式法可以对任意变量函数化简，但是化简难度较大，卡诺图那么对 4 变量以下逻辑函数的化简比较方便，但是 4 变量以上的逻辑函数的化简那么难度加大了。在Multiism 10 中，逻辑函数的的化简就显得非常的轻松，因为它有一个很实用的逻辑转换仪。逻辑转换仪可以实现逻辑函数的化简，以及函数几种表达式之间相互的转换。下面介绍逻辑转换仪的使用：逻辑转换仪图10-45 逻辑转换仪界面逻辑函数表达式输入逻辑函数表达式输入/或化简后输出或化简后输出输入变量输出变量逻辑函数化简过程公式法逻辑变量输入端逻辑变量输入端输入逻辑函数输入逻辑函数 A+C+D先点击先点击A|B10|1再点击再点击10|1 A|B最终化简结果化简在此“表示逻辑非逻辑函数化简过程逻辑图函数式点击点击 A|B，就可以得到化简的逻辑函数，就可以得到化简的逻辑函数分别将逻辑图中 输入 输出 接在逻辑转换仪上；集成组合逻辑器件也可以用集成组合逻辑器件也可以用逻辑转换仪得到函数表达式逻辑转换仪得到函数表达式变量输出变量输入3真值表函数表达式直接将真值表填入逻辑转换仪，表示约束项4组合逻辑电路的分析与设计函数表达式，逻辑转换仪可以直接给出逻辑图任意门实现与非门实现组合逻辑电路逻辑测试“总线应用BUS1 74LS138输入波形BUS1 74LS148输出波形BUS2 74LS148输出波形在组合逻辑测试电路中，为了简化逻辑图，在图中设立了BUS1、BUS2两个总线，将相关的测试点接入总线，这样逻辑图中就减少了逻辑连线。总线上可以挂接任意连接点。仿真电路中每一根导线都有一个网络Net Name标号，只要网络的标号相同，导线就连接在一起。10.4.3 时序逻辑电路的仿真对时序电路的仿真，首先必须熟悉器件的功能及其特点，功能表的使用方法见图 10-31 说明。下面以实例说明：【例【例10-1】用两种方式分别设计一个可以用BCD 显示器直接显示的24进制计数器。以74290和74161为例实现 74290二-五-十进制计数器，74161四位二进制计数器。如果不熟悉器件，可以在器件属性信息栏Info上搜寻器件的功能表及简要说明，如果说英文说明可能理解有一点困难，但是功能表应不难理解。功能说明功能表图中虚线框表示的是当计数到图中虚线框表示的是当计数到(24)D或或(00100100)B时产生置时产生置“0异步复位信号的地方。异步复位信号的地方。24脉冲输入脉冲输入023就是24进制用用74LS290构成构成24进制计数器进制计数器74LS161是4位二进制计数器，计数范围为015，我们设计目标是BCD码显示的24进制计数器，个位显示09，十位显示02。09 02 023 十位显示02控制目标：个位显示09整体显示023【例例10-2】分析图10-58时序逻辑电路逻辑功能 10个CP分析过程：先画出逻辑图，然后仿真，再读取数据。分析过程：先画出逻辑图，然后仿真，再读取数据。十进制计数器十进制计数器图10-59 状态变量输出波形10.5 仿真模式设置10.5.1 仿真启动与停止仿真启动与停止启 暂 停 动 停 止 启/停 暂停 MCU运行、编辑操作快捷键：F5运行/停止 带MCU控制功能仿真开关Multisim 10 运行/停止 可以用菜单，也可以用快捷键。普通开关10.5.2 仿真模式仿真模式与仿真参数设置与仿真参数设置所有仿真模式：1.直流工作点分析界面直流工作点分析界面待选节点参数过滤已选参数变量增加器件/模型中参数测试删除所选参数仿真结束后显示所有器件参数存储选择变量已选节点参数过滤未选参数变量设置完成后按仿真Simulate)电路的静态工作点DC分析，对于模拟电路分析十分重要，不仅电路运行需要设置，而且可以通过DC分析求出电路的静态参数数据。静态参数指：输入为零 电容开路、电感短路。内部参数设置内部参数设置界面内部参数设置汇总分析结果直流工作点设置、分析过程2.交流分析交流分析分析电路在小信号作用下的频率响应。3.瞬态分析瞬态分析分析电路在时域范围内某一期间的响应。4.傅立叶分析傅立叶分析分析节点上信号的各次谐波含量能量分布。5.噪声分析噪声分析分析电路中的器件或电路本身的噪声大小。图10-67 交流分析运行、设置界面交流分析运行、设置界面6.噪声系数分析噪声系数分析 通过一个噪声系数来描述电路中的器件或电路本身的噪声大小。7.失真分析失真分析分析某个节点输出信号线性、非线性失真。8.直流扫描分析直流扫描分析分析电路的静态工作点参数随电源变化的情况。分析电路中节点电压、电流对电路中元器件参数的敏感程度。9.灵敏度分析灵敏度分析10.参数扫描分析参数扫描分析扫描扫描电路中元器件参数变化时对电路的影响。分析当环境温度变化时对电路的影响。11.温度扫描分析温度扫描分析分析电路的等效传输函数在小信号时的零极点。12.零极点分析零极点分析分析分析电路中两个节点之间的传递函数或阻抗。13.传递函数分析传递函数分析统计分析方法：分析电路最坏可能性，是电路可靠性分析的助手。14.最坏情况分析最坏情况分析统计分析方法：分析参数在选定的误差范围内变化时对电路产生的影响。15.蒙特卡罗分析蒙特卡罗分析仿真电路生成PCB印制板时，布线宽度是否合理。16.布线宽度分析布线宽度分析将上述的分析方法组合在一起。17.批处理分析批处理分析18.用户自定义分析用户自定义分析 用户扩展仿真分析功能。10.6 模拟电路仿真【例【例10-3】文氏振荡电路的仿真 文氏振荡电路，一般参数选好、电路连接正确了以后，都可以起振，如果不能振荡，调节反响电阻Key=A。【例【例10-4】功率放大电路的分析、设计 信号源输入信号，示波器检测功率输出结果，参数扫描分析为辅助调节工具，对几个关键的参数依次调节，最终得到比较满意的输出波形。但是得到的参数还必须做一个标准化处理。比方实际电阻值是有规格的。原始输出波形：有失真参数调整后输出波形：失真消除 本章小结 本章介绍了Multisim 10 电路虚拟仿真软件的框架以及根本使用方法，通过这种软件的学习和使用，我们不仅可以在本书?数字电子技术应用根底?学习的过程中得到很好的帮助和较大的收获，同时也是对我们今后的学习和工作提供了一个良好的辅助平台。Multisim 10中特有的帮助菜单Info，特别对于数字电路的学习有很大的帮助，因为数字器件虽然品种类繁多，但是功能是有规那么可循的。对于熟悉和不熟悉的器件，帮助菜单都可以为我们提供根本功能表和使用方法；无论是组合逻辑器件还是时序逻辑器件、TTL还是CMOS，菜单中的功能表都可以为我们提供相关的有用信息。