第七章數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)例Multisim電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真教程課件CONTENTS110序列檢測器電路分析1競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析3RAM存儲器電路分析2A-D、D-A轉(zhuǎn)換4數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路5內(nèi)容提要本章結(jié)合數(shù)字電路中的典型實(shí)例進(jìn)一步介紹Multisim，從實(shí)例的設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)過程到最后的系統(tǒng)仿真，詳細(xì)的介紹了Multisim對于數(shù)字電路的仿真分析。7.1110序列檢測器電路分析

1）設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)數(shù)字電路110序列檢測器的原理；掌握用Multisim對數(shù)字電路進(jìn)行仿真和分析的方法；了解序列檢測器的構(gòu)成和功能并對其進(jìn)行調(diào)試。2）設(shè)計(jì)任務(wù)

利用數(shù)電的基礎(chǔ)知識和Multisim軟件設(shè)計(jì)一個序列編碼檢測器，當(dāng)檢測到輸入信號出現(xiàn)110序列編碼（按照自左至右的順序）時，電路輸出為1，否則輸出為0。3）設(shè)計(jì)思路由給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表；狀態(tài)簡化；c)狀態(tài)分配；d)選擇觸發(fā)器類型；確定激勵方程和輸出方程；畫出邏輯圖并檢查自啟動能力。7.1110序列檢測器電路分析

4）設(shè)計(jì)過程建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，電路有一個輸入信號A以及一個輸出信號Y，該電路是要對輸入信號A的編碼序列進(jìn)行檢測。設(shè)電路的初始狀態(tài)為S1，初始狀態(tài)S1對應(yīng)的輸出為Y=0，此時的輸入可能是A=0或A=1。當(dāng)時鐘脈沖上升沿到來時，A=0則保持狀態(tài)S1不變，表示收到一個0；A=1則轉(zhuǎn)向第二個狀態(tài)S2，表示收到一個1。當(dāng)在狀態(tài)S2時，若A=0則表示連續(xù)輸入編碼10而不是110，則回到初始狀態(tài)S1重新檢測；若A=1則表示連續(xù)輸入編碼為11，則繼續(xù)檢測，轉(zhuǎn)向第三個狀態(tài)S3。當(dāng)在狀態(tài)S3時，若A=0則表示連續(xù)輸入編碼110，則輸出Y=1并轉(zhuǎn)向第四個狀態(tài)S4；若A=1則表示連續(xù)輸入編碼為110后又收到一個1，視為進(jìn)行下一輪檢測。當(dāng)在狀態(tài)S4時，無論A為何值，輸出Y均為0。

根據(jù)給定的邏輯功能可列出電路的原始狀態(tài)表如表7-1所示，并畫出原始狀態(tài)圖如圖7-1所示。7.1110序列檢測器電路分析

現(xiàn)態(tài)（Sn）次態(tài)/輸出（/Y）A=0A=1S1S1/0S2/0S2S1/0S3/0S3S4/1S3/0S4S1/0S2/0表7.1110序列檢測器的原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖7-1110序列檢測器原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖7.1110序列檢測器電路分析

狀態(tài)化簡

下面進(jìn)行狀態(tài)化簡，觀察110序列檢測原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中的S1與S4可得出，當(dāng)A=0，和A=1時，分別具有相同的次態(tài)及相同的輸出，因此S1與S4存在等價狀態(tài)，故可以對原始狀態(tài)表進(jìn)行化簡。得到的化簡后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表7-2所示。

現(xiàn)態(tài)（Sn）次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）A=0A=1S1S1/0S2/0S2S1/0S3/0S3S1/1S3/0表7.2化簡后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表7.1110序列檢測器電路分析

狀態(tài)分配

化簡后的三個狀態(tài)可以用二進(jìn)制代碼組合（00,01,10,11）中任意三個來表示，于是選用S1=00，S2=01，S3=11。用兩個觸發(fā)器組合電路，觀察表7-2，當(dāng)輸入信號A=1時，有S1→S2→S3的變化順序，當(dāng)A=0的時候，又有S3→S1的變化，綜合這兩方面，這里采取00→01→11→00的變化順序，能使其中的組合電路變得簡單。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可以確定110序列檢測器的變化狀態(tài)圖如圖7-2所示。

圖7-2110序列檢測器的狀態(tài)分配圖7.1110序列檢測器電路分析

觸發(fā)器的選擇

為實(shí)現(xiàn)110序列選擇器電路功能，本設(shè)計(jì)中采用了小規(guī)模集成觸發(fā)芯片JK觸發(fā)器，其功能最為齊全并且有很強(qiáng)的通用性，適用于簡化的組合電路。JK觸發(fā)器的特征表如表7-3所示。

根據(jù)JK觸發(fā)器特性表可以得出其特性方程如下：表7.3JK觸發(fā)器的特征表JKQnQn+1功能0000Qn+1=Qn0011保持0100Qn+1=00110置01001Qn+1=11011置11101Qn+11110翻轉(zhuǎn)7.1110序列檢測器電路分析

確定激勵和輸出方程組

用JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)時序電路時，電路的激勵方程需要間接導(dǎo)出。與設(shè)計(jì)要求和狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)合，將特性表做適當(dāng)變換推導(dǎo)出激勵條件，建立JK觸發(fā)器的激勵表如表7.4所示。（×表示邏輯值與該行狀態(tài)轉(zhuǎn)換無關(guān)）表7.4JK觸發(fā)器的激勵表QnQn+1JK000×011×10×111×07.1110序列檢測器電路分析

根據(jù)圖7-2所示的狀態(tài)分配圖和表7.4的激勵表可以建立狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值和激勵信號表，而狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表和激勵信號由此建立如表7.5所示。根據(jù)化簡和推導(dǎo)得出的激勵方程組以及輸出方程如下：表7.5真值激勵表

Q1n

A

Y

0000000×0×0010100×1×0100000××10111101××0110001×1×1111110×0×07.1110序列檢測器電路分析

根據(jù)真值表設(shè)計(jì)邏輯電路圖

首先在原理圖中添加元器件，單擊右鍵選擇“PlaceComponent”，從彈出的選項(xiàng)卡中選取所需元器件元件，并按圖7-3搭建原理圖。圖7-3110序列檢測器的邏輯電路圖7.1110序列檢測器電路分析

放置數(shù)字時鐘信號源作為時鐘信號(頻率設(shè)為100Hz，占空比為50%)；輸入的隨機(jī)脈沖序列由字信號發(fā)生器產(chǎn)生，字信號發(fā)生器的設(shè)置如圖7-4所示，其中，因?yàn)樽中盘柊l(fā)生器的輸出是并行輸出，且連接的是第一個信號通道，故字信號發(fā)生器的最低位為有效位；當(dāng)檢測到一個“110”序列后，輸出端的燈會亮一下，同時也可以在示波器中看到一個脈沖信號。圖7-4字信號發(fā)生器設(shè)置7.1110序列檢測器電路分析

5）系統(tǒng)仿真

連接好邏輯電路圖后，對110序列檢測器進(jìn)行仿真。打開輸入端示波器，可以看到輸入的時鐘信號和隨機(jī)脈沖信號的波形，如圖7-5所示。

電路仿真結(jié)果如圖7-6所示，從輸出端示波器可知，當(dāng)有時鐘脈沖觸發(fā)并且輸入為110時，輸出會產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，實(shí)現(xiàn)了序列檢測的功能。圖7-5數(shù)字模式信號源編輯對話框圖7-6仿真結(jié)果7.2RAM存儲器電路分析

1）設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)數(shù)字電路中RAM的工作原理；學(xué)習(xí)用Multisim對RAM的工作過程進(jìn)行仿真和分析；驗(yàn)證RAM存儲器的功能并熟悉操作。2）

設(shè)計(jì)任務(wù)

利用數(shù)電的基礎(chǔ)知識和Multisim軟件模擬仿真一個2K8RAM存儲器的存儲和讀取過程，將數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的地址并能夠在讀取模式將數(shù)據(jù)讀取出來。7.2RAM存儲器電路分析

3）

設(shè)計(jì)原理RAM的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-7所示，其工作模式如表7.6所示。圖7-7RAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表7.6RAM的工作模式工作模式CSWEI/O保持0×高阻讀出數(shù)據(jù)10數(shù)據(jù)輸出寫數(shù)據(jù)11數(shù)據(jù)輸入7.2RAM存儲器電路分析

本次實(shí)驗(yàn)所選芯片2K8RAM是單向的數(shù)據(jù)傳輸線，2K8RAM是可存儲2048個8位二進(jìn)制數(shù)的電可擦除可編程隨機(jī)存取器。2K8RAM有12條地址線（A0~A11）、8條數(shù)據(jù)輸入線（D0~D7）、8條數(shù)據(jù)輸出線（Q0~Q7）和2條控制線——片選信號CE、寫允許信號WE（2條控制線高電平有效）。RAM讀寫電路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個存儲器讀寫電路，利用數(shù)碼管顯示讀寫數(shù)據(jù)。在Multisim原理圖界面單擊右鍵Placecomponent，從彈出的選取元件對話框中選擇RAM存儲器讀寫電路仿真所需元器件，在編輯窗口點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵放置仿真元器件，按照圖7-8所示連接電路。7.2RAM存儲器電路分析

圖7-8RAM存儲器讀寫電路7.2RAM存儲器電路分析

4）

系統(tǒng)仿真寫操作

打開電源開關(guān)，調(diào)試電路，單擊“邏輯狀態(tài)”（INTERACTIVE_DIGITAL_CONSTANT）即可實(shí)現(xiàn)對信號“0”、“1”狀態(tài)的設(shè)置。先令S2關(guān)閉，此時CS為高電平，芯片被選中，后關(guān)閉S1，此時為WE高電平寫狀態(tài)，當(dāng)芯片處于寫狀態(tài)時，右邊七段數(shù)碼管顯示初始值“00”。用A～D鍵編輯一個地址，用左邊8個數(shù)字鍵編輯一組數(shù)據(jù)存入，并作紀(jì)錄（存儲一組數(shù)據(jù)后要使S1鍵置“0”）；再編輯第2個地址，重復(fù)上述操作，編輯第2個數(shù)據(jù)存入，也做記錄；照此方法存入若干個數(shù)據(jù)。寫狀態(tài)如圖7-9所示。7.2RAM存儲器電路分析

圖7-9RAM寫入狀態(tài)仿真7.2RAM存儲器電路分析圖7-10寫操作的電路狀態(tài)（一）在地址0001H存入數(shù)據(jù)22。7.2RAM存儲器電路分析

圖7-11寫操作的電路狀態(tài)（二）在地址0010H中存入數(shù)據(jù)50。7.2RAM存儲器電路分析

圖7-12寫操作的電路狀態(tài)（三）在地址0100H中存入數(shù)據(jù)72。7.2RAM存儲器電路分析

圖7-13讀操作的電路狀態(tài)（一）讀操作

上述實(shí)例中，已經(jīng)分別將三個數(shù)據(jù)存入存儲器，下面對這些信息進(jìn)行讀取操作。

將S1開關(guān)打開，此時數(shù)據(jù)輸出端有效，即輸入鍵輸入的數(shù)據(jù)不會影響Q0～Q7對數(shù)據(jù)的輸出。再將地址輸入端的“邏輯狀態(tài)”DCBA設(shè)置為“0001”。此時電路狀態(tài)如圖7-13所示。7.2RAM存儲器電路分析

圖7-14讀操作的電路狀態(tài)（二）變換地址輸入端的“邏輯狀態(tài)”DCBA為“0010”，電路狀態(tài)如圖7-14所示。7.3競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析

1）設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)數(shù)字電路設(shè)計(jì)競賽搶答器電路的工作原理及設(shè)計(jì)思路；學(xué)習(xí)用Multisim對競賽搶答器進(jìn)行仿真和分析；驗(yàn)證競賽搶答器的功能并對競賽搶答器電路進(jìn)行完善。2）

設(shè)計(jì)任務(wù)

以四人搶答電路為例。四人參加比賽，每人一個按鈕，其中一人按下按鈕后，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，并且在沒有清零時，其他人按下按鈕不起作用。3）

設(shè)計(jì)原理競賽搶答器的功能及原理

這里以74LS175N為核心器件設(shè)計(jì)四人競賽搶答電路。7.3競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析

1）設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)數(shù)字電路設(shè)計(jì)競賽搶答器電路的工作原理及設(shè)計(jì)思路；學(xué)習(xí)用Multisim對競賽搶答器進(jìn)行仿真和分析；驗(yàn)證競賽搶答器的功能并對競賽搶答器電路進(jìn)行完善。2）

設(shè)計(jì)任務(wù)

以四人搶答電路為例。四人參加比賽，每人一個按鈕，其中一人按下按鈕后，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，并且在沒有清零時，其他人按下按鈕不起作用。3）

設(shè)計(jì)原理競賽搶答器的功能及原理

這里以74LS175N為核心器件設(shè)計(jì)四人競賽搶答電路。7.3競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析

系統(tǒng)仿真及電路分析

以74LS175N四D觸發(fā)器為核心器件設(shè)計(jì)四人競賽搶答器電路。其中清零信號用于賽前清零，清零后電路結(jié)果如圖7-15所示。圖7-15電路清零7.3競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析

從系統(tǒng)的仿真結(jié)果可知，按下#1鍵后，X1信號燈點(diǎn)亮，同時系統(tǒng)的時鐘輸入端被鎖定。在上述情形下，按動其他按鍵，系統(tǒng)不響應(yīng)動作，如圖7-16所示。a）圖7-16系統(tǒng)不響應(yīng)其他按鍵的操作b）a）#1鍵按下狀態(tài)，系統(tǒng)不響應(yīng)其它按鍵的操作b）#1鍵釋放后，系統(tǒng)仍不響應(yīng)其它按鍵的操作7.4A/D、D/A轉(zhuǎn)換

1）設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)8位數(shù)字電路A/D、D/A轉(zhuǎn)換的原理；掌握用Multisim對數(shù)字電路進(jìn)行仿真和分析的方法；驗(yàn)證A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的功能并熟悉操作。2）設(shè)計(jì)任務(wù)

利用數(shù)電的基礎(chǔ)知識和Multisim軟件設(shè)計(jì)一個A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路，并對D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓進(jìn)行放大。3）設(shè)計(jì)思路A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路主要由ADC芯片和相應(yīng)電路組成，本次仿真將正弦波作為ADC芯片的觸發(fā)信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)?位數(shù)字量輸出。7.4A/D、D/A轉(zhuǎn)換

D/A轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換電路主要由VDAC芯片和相應(yīng)電路組成，將前一級模數(shù)轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)字量輸入到D/A轉(zhuǎn)換電路中，輸出模擬量。反相放大電路

反相放大電路由運(yùn)算放大器TLC272ID和相應(yīng)電阻組成。由于前一級數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的模擬電壓較小，我們這一級電路選擇放大倍數(shù)為2，將前一級模擬電壓初步放大。從圖7-17仿真結(jié)果來看，實(shí)現(xiàn)了對上級信號的反向2倍放大。圖7-17反向放大電路7.4A/D、D/A轉(zhuǎn)換

將前面三部分電路進(jìn)行組合可得到完整的A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路，如圖7-18所示。通過改變輸入端滑動變阻器的阻值，就可以改變模擬電壓的輸入，不同的模擬輸入電壓對應(yīng)不同的數(shù)字量輸出，進(jìn)而影響整個電路的輸出。圖7-18完整的A-D、D-A轉(zhuǎn)換電路7.4A/D、D/A轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)仿真及電路分析

依照圖7-18連接好電路后，將函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)置成頻率為1KHz，振幅為10Vp，補(bǔ)償電壓（Offset）為5V的正弦波。打開電源后，調(diào)整滑動變阻器到80%的位置，當(dāng)完成一次轉(zhuǎn)換時，EOC連接的指示燈就會點(diǎn)亮一次，由圖7-19所示可以看到A/D轉(zhuǎn)換器輸出的是33。圖7-19滑動變阻器到80%的結(jié)果7.4A/D、D/A轉(zhuǎn)換

7.4A/D、D/A轉(zhuǎn)換

7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

1）設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)數(shù)字電路中數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理及設(shè)計(jì)思路；學(xué)習(xí)用Multisim對數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路進(jìn)行仿真和分析；驗(yàn)證數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路的功能并對數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路進(jìn)行完善。

2）設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一個直流穩(wěn)壓電源電路，并且能通過按鍵控制電路輸出的穩(wěn)定電壓值。具體要求如下：按下<ADD>鍵，電源電路輸出電壓值增加；按下<DEC>鍵，電源電路輸出電壓值減??；電源電路輸出電壓值共有13個檔位;可以通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)整部分的兩個電位器來調(diào)整13個檔位的電壓值。7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

3）設(shè)計(jì)原理電路設(shè)計(jì)方法

整個電路采用整流濾波初步穩(wěn)壓電路為后面的處理電路提供穩(wěn)定電壓，采用四位二進(jìn)制可逆加減計(jì)數(shù)器74LS193D，輸出可以隨按鍵觸發(fā)而加減的4位二進(jìn)制數(shù)字量，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓，后續(xù)為電壓調(diào)整電路，包括反相放大電路和反相求和運(yùn)算電路，將模擬電壓值放大調(diào)整。如果需要更換電壓源的13個檔位的輸出電壓值，可以通過計(jì)算調(diào)節(jié)電壓調(diào)整電路的電位器達(dá)到改變電壓檔位的目的。最后為輸出穩(wěn)壓電路，設(shè)計(jì)一個輸出可調(diào)的穩(wěn)壓電路，使其輸出跟隨調(diào)整后的電壓變化，達(dá)到穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求。7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

系統(tǒng)組成

數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路分為6個部分：

第一部分：整流濾波初步穩(wěn)壓電路，為后續(xù)各模塊電路供電。

第二部分：數(shù)（字量）控（制）電路，輸出可以隨按鍵觸發(fā)而加減的4位二進(jìn)制數(shù)字量。

第三部分：數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，將74LS193D輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，便于后續(xù)電壓調(diào)整電路對電壓進(jìn)行調(diào)整。

第四部分：反相放大電路，將模擬電壓放大2倍。

第五部分：反相求和運(yùn)算電路，進(jìn)一步調(diào)整電壓值，可以通過計(jì)算調(diào)節(jié)兩個電位器的值來改變輸出電壓的檔位值。7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

第六部分：輸出穩(wěn)壓電路，使電路的輸出隨著調(diào)整后的電壓變化，并且起到輸出穩(wěn)壓的效果。

整個系統(tǒng)方案的模塊框圖如圖7-20所示：圖7-20系統(tǒng)框圖7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

4）各組成模塊電路詳解整流濾波穩(wěn)壓電源電路

整流濾波穩(wěn)壓電路由變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、三端穩(wěn)壓器7818、7918、7809、7909、7805以及濾波電容組成。如圖7-21所示為完整的整流濾波穩(wěn)壓電路。圖7-21整流濾波穩(wěn)壓整體電路7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

數(shù)字電路

數(shù)字電路整體原理圖如圖7-22所示，電路中的電壓都由整流濾波電路提供，本次設(shè)計(jì)為了簡化電路都由外部電源供電。上電后，可以通過ADD、DEC鍵獲得電路輸出的13個不同檔位電壓值。下面對整個電路進(jìn)行詳細(xì)介紹：圖7-22數(shù)字電路整體原理圖7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

數(shù)字量控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

數(shù)字量控制電路由按鍵，上拉電阻，以及四位二進(jìn)制可逆加減計(jì)數(shù)器74LS193D芯片組成。74LS193D功能表如表7.1所示表7.174LS193D功能表CLRLOADUPDOWNMODEHXXXResetLLXXPresetLHHHNochangeLHHCountUpLHHCountDown7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

在減計(jì)數(shù)端為高電平時，按下一次ADD鍵時，可逆加減計(jì)數(shù)器74LS193D的加計(jì)數(shù)端UP檢測到上升沿觸發(fā)，則當(dāng)前計(jì)數(shù)器功能為加計(jì)數(shù)。輸出引腳由低位到高位分別為X1,X2,X3,X4。這里按下兩次ADD鍵，當(dāng)前輸出值為0010，如圖7-23所示。圖7-23ADD鍵控制仿真圖7.5數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路

在按下一次DEC鍵時，計(jì)數(shù)端DOWN有上升沿觸發(fā)并且加計(jì)數(shù)端為高電平時，計(jì)數(shù)器功能為減計(jì)數(shù)。輸出引腳由低位到高位分別為X1,X2,X3,X4。按下一個DEC鍵，當(dāng)前輸出值為0001，如圖7-24。圖7-24DEC鍵控制仿真圖7.5數(shù)控直