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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Multisim电路设计与仿真第7章数字电路仿真



