Multisim电路设计与仿真第7章数字电路仿真

第7章 Multisim 12在数字电路中的应用和仿真

本章主要介绍Multisim 12中在数字电路中的应用和仿真。首先进行分立元件特性测试与仿真，然后介绍组合逻辑与时序逻辑电路的分析与仿真，最后介绍555定时器与数/模、模/数转换部分的分析与仿真。

7.1分立元件特性测试与仿真

数字电路中逻辑变量有0和1两种取值，对应电子开关的断开和闭合。构成电子开关的基本元件有二极管、三极管和MOS管。理想开关的开关特性有两种：

（1）静态特性。断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF=∞，电流IOFF = 0；闭合时，不管流过其中的电流多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。 （2）动态特性。开通时间ton=0，关断时间toff = 0。

客观世界中并没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。本节主要介绍二极管和三极管的开关特性测试与仿真。

7.1.1二极管开关特性测试与仿真

二极管在正偏导通时的导通压降，硅材料约0.7V，锗材料约为0.3V，导通电阻约为几欧姆或几十欧姆，类似关闭合；反向截止时反向饱和电流极小、反向电阻很大（约几百千欧）类似开关断开。

1.使用伏安特性图示仪观察二极管伏安特性曲线

图7-1 用伏安特性分析仪观察二极管伏安特性曲线

在Multisim环境下，单击元器件库栏217

按钮，在弹出的窗口中，“Datebase”栏选择

“Master Datebase”，“Group”栏选择“DIODE”，“Component”栏选择“1N4001”，其它选择默认，把二极管“1N4001”放置在工作区。再单击仪器仪表库中（IV analyzer，伏安特性分析仪）按钮，放置在工作区。鼠标左键双击伏安特性分析仪，打开设置窗口，“Component”栏选择“Diode”，可在设置窗口右下角看到二极管符号，即要求外部接线时，左侧端口接“P”区，中间端口接“N”区。单击仿真按钮，可观察二极管伏安特性如图7-1所示。由图7-1可知，二极管“1N4001”的导通电压越为0.895V。 2.二极管开关特性测试

二极管从截止到导通所需的时间称为导通时间ton，从导通到截止所需的时间称为反向恢复时间tre，通常后者所需的时间长得多，一般为ns数量级。若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用，因此高频应用时应注意。信号源采用幅值为0V-5V、周期为0.1ms、高电平维持时间为0.05ms的脉冲信号，如图7-2a）所示，可对二极管进行动态开关特性测试，观察示波器的工作波形如图7-2b）所示。

a） b） 图7-2二极管开关特性测试

a）测试电路 b）示波器波形

7.1.2三极管开关特性测试与仿真

三极管作为开关元件，主要工作在饱和与截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。截止时三极管发射结和集电结都反偏，集电极电流约为0，集电极与发射极之间类似开关断开；饱和时三极管发射结和集电结都正偏，UBES=0.7V，UCES=0.3V（硅），集电极与发射极之间类似开关闭合。

1.使用伏安特性图示仪观察三极管伏安特性曲线 单击元器件库栏

按钮，在弹出的窗口中，“Datebase”栏选择“Master Datebase”，“Group”

栏选择“Transistors”，“Component”栏选择“2N2221”，其它选择默认，把三极管“2N2221”放置在工作区。再单击仪器仪表库中（IV analyzer，伏安特性分析仪）按钮，放置在工作区。鼠标左键双击伏安特性分析仪，打开设置窗口，“Component”栏选择“BJT NPN”，可在设置窗口右下角看到三极管符号，即要求外部接线时，左侧端口接“b”区，中间端口接“e”区，右侧端口接“c”。单击仿真按钮，可观察三极管伏安特性如图7-3所示。

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图7-3 用伏安特性分析仪观察三极管伏安特性曲线

2.三极管开关特性测试

三极管的开关特性可用开启时间与关闭时间来描述。三极管从截止到饱和所需的时间称为开启时间ton ；三极管从饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff。通常有toff > ton。开关时间一般在纳秒数量级，高频应用时需考虑。

图7-4a）中信号源采用幅值为（+5V）-（-5V）、周期为0.1ms、高电平维持时间为0.05ms的脉冲信号，对三极管进行开关特性测试，可观察示波器的工作波形如图7-4b）所示。

图7-4三极管开关特性测试

a） b） a）测试电路 b）示波器波形

7.1.3 TTL与非门逻辑功能测试与仿真

正逻辑体制规定下，与非门的特点是“见0出1，全1为0”。由三极管搭建的与非门称为TTL与非门，由MOS管搭建而成的与非门称为CMOS与非门。下面介绍TTL与非门74LS00的逻辑功能测试与仿真。

单击基础元器件库

图标，首先选中“SWITCH”里的“SPDT”，在工作区的空白区

，选中“74LS”里的“74LS00N”，在

域放置2个双刀单掷开关；单击TTL元器件库图标

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