Multisim在触发器工作波形分析中的应用

0 引言
    触发器是具有存储功能的器件，在数字电子技术中用于构成各种时序逻辑电路。触发器有多种类型：按触发方式分为电平触发、主从触发、边沿触发；按逻辑功能分为RS触发器、D触发器、JK触发器、T触发器等。触发器的特性用触发方式和逻辑功能进行描述，触发方式决定状态变化特点，即接收输入信号改变状态的方式；逻辑功能决定状态变化的方向，即次态值。用时序图即波形图可直观描述触发器的特性。由于受实验仪器的限制无法对触发器工作波形进行硬件实验验证，主要因为现有的信号发生器不能产生多路同步信号，现有的示波器多为双踪示波器无法同时观测多路波形。
    用Multisim软件仿真可解决上述问题。Multisim仿真软件是由加拿大Interactive Image Technologies公司开发的一种基于SPICE工业标准的EDA软件，它就像一个真正的实验工作台，将电路原理图的输入、虚拟仪器的测试分析和结果的图形显示等集成到一个设计窗口。
    在用Multisim仿真软件进行触发器工作波形仿真分析时，用虚拟仪器中的字组产生器做实验中的信号源产生所需的各种输入波形，用逻辑分析仪观测输入、输出波形。
    以下分析用Multisim 2001版本，所得结论适于其他版本。

1 触发器工作波形Muitisim仿真实验方法
1．1 创建电路
    从TTL数字IC库中找出集成触发器或找出用于连接成触发器的集成逻辑门放置在工作台合适的位置。从虚拟仪器库中找出字组产生器、逻辑分析仪放置在工作台合适的位置。确定字组产生器产生触发器所需的时钟脉冲、数据输入、异步控制等信号，逻辑分析仪所显示的波形。将集成门连接成触发器再接上字组产生器和逻辑分析，或将集成触发器接上字组产生器和逻辑分析。
1．2 设置字组产生器
    (1)根据触发器的触发方式、逻辑功能，确定反映逻辑功能及状态变化特点的字组产生器各个输出信号即字组的内容及地址。
    (2)双击打开字组产生器，在Address区块的Final字段输入末地址，在Edit区块以16进制(Hex字段)或以ASCII码(ASCII字段)或以二进制(Binary字段)依次输入各字组数据，完成所有字组信号的设置。
1．3 仿真运行分析
    双击打开逻辑分析仪，按下仿真开关开始仿真，分析显示仿真实验波形。

2 触发器工作波形Multisim仿真实验举例
2．1 主从JK触发器工作波形仿真实验
    (1)仿真实验电路创建
    用74LS00与非门连接成主从JK触发器构建仿真实验电路如图1所示。

    其中：为异步置0输入信号；为异步置1输入信号；J，K为数据输入信号；CP为时钟脉冲输入信号；Qm，为主触发器的状态输出信号；Q，为状态输出信号。端接电源，异步置1功能无效；用于设置Q=0的初始状态。
    字组产生器产生触发器的CP，J，K及信号，逻辑分析仪显示触发器的CP，J，K，，Qm，，Q及信号波形。
    (2)确定反映触发器状态变化特点及逻辑功能的字组产生器输出信号即字组的内容及地址。
    ①主从触发方式触发器状态变化特点为：
    在CP=1期间接收输入信号，在CP下降沿改变状态，且有一次变化问题。
    表示JK触发器逻辑功能的特性方程为：
   
    ②设计字组产生器输出信号时，将J，K输入信号设计成在CP=O，1期间有变化，以验证主从触发方式的状态变化特点。输入波形设计、字组数据及地址如图2所示。

    ③在字组产生器的Address区块的Final字段输入字组数据的末地址0024，在Edit区块以16进制(Hex字段)依次输入各字组数据0，8，C，D，B，D，B，D，C，8，E，E，F，B，D，B，D，C，E，A，A，B，9，F，9，F，E，C，E，A，B，F，9，F，9，8，8，完成所有字组信号的设置，如图3所示。

    (3)仿真运行分析
    打开逻辑分析仪，按下仿真开关开始仿真，逻辑仪分析显示波形如图4所示。

    图4中，“11”为CP时钟脉冲波形；“15”为J输入波形；“12”为K输入波形；“13”为异步置输入波形；“4”为Qm状态输出波形；“3”为状态输出波形；“7”为Q状态输出波形；“8”为状态输出波形。
    通过波形图可以很直观地看出，在CP=1期间，主触发器接收J，K输入信号改变Qm，端状态，在CP下降沿触发器改变Q，状态。不论CP=1期间J，K怎么变化，主触发器Qm，最多只变化一次。
    当Qn=O在CP=1时，J由0变1，或Qn=1，在CP=1时K由O变1，在这两种情况下，才产生一次变化现象。和由特性方程得出Qn=0时Qn+1=J，Qn=1时Qn+1=的规律相符合。
2．2其他功能和触发方式触发器工作波形仿真实验
    (1)同步RS触发器工作波形仿真实验
    仿真实验电路用74LS00与非门连接构成。
    字组产生器产生触发器的CP时钟脉冲输入信号、R，S数据输入信号及异步置0输入信号，逻辑分析仪显示触发器的CP，R，S，及状态输出Q，信号波形。
    设计字组产生器输出信号时，将R，S输入信号设计成在CP=0，1期间有变化，并有CP=1期间R=S=1，以验证电平触发方式的状态变化特点。
    (2)上升沿D触发器工作波形
    仿真实验仿真实验电路用74LS74上升沿D触发器。
    字组产生器产生触发器的CP时钟脉冲输入信号、D数据输入信及异步置0输入信号，逻辑分析仪显示触发器的CP，D，及状态输出Q，信号波形。
    设计字组产生器输出信号时，将D输入信号设计成在CP上升沿时刻不变，在CP=0及CP=1期间有变化，以验证上升沿触发方式的状态变化特点。
    (3)负边沿JK触发器工作波形仿真实验
    仿真实验电路用74LS112负边沿JK触发器。
    字组产生器产生触发器的CP时钟脉冲输入信号、J，K数据输入信号及异步置0输入信号，逻辑分析仪显示触发器的CP，J，K，及状态输出Q，信号波形。
    设计字组产生器输出信号时，将J，K输入信号设计成在CP下降沿时刻不变，在CP=0及CP=1期间有变化，以验证下降沿触发方式的状态变化特点。

3 结语
    用Multisim仿真软件进行触发器工作波形仿真分析，可直观描述触发器的工作特性。
    仿真实验的关键是反映状态变化特点的输入波形的设计即字组产生器字组内容的设计。