第9章-Multisim-在数字电子技术中的应用

数字电子技术是电类专业的技术基础课程，本章通过对各种数字电路的仿真分析，使之明确在Multisim环境中如何创建数字电路、如何仿真并观测仿真结果。本章导读：Multisim的基本操作功能；用Multisim对数字电子技术电路的仿真；用Multisim对电路进行设计和测试的方法；Multisim的高级分析方法。学习重点：会应用Multisim仿真软件进行数字电路的仿真。用Multisim对典型电路的仿真及测试、对自行设计电路进行模拟仿真。第9章Multisim在数字电子技术中的应用

Multisim软件是加拿大InteractiveImageTechnologies公司（以下简称IIT公司），通过对其原有的EWB（ElectronicsWorkbench）软件进行扩展和升级，开发出来的。EWB将原理图的创建，电路的测试分析和结果的图表显示等，全部集成到同一个电路窗口中。整个操作界面就像一个实验工作台，有存放仿真元器件的元器件箱，有存放测试仪器的仪器库，有进行仿真分析的各种操作命令。测试仪器和某些仿真元器件的外形与实物非常接近，操作方法也基本相同，而Multisim又在此基础上，扩充了元器件箱和仪器库，增加了工具模块，调整了操作界面，并对软件进行了整合优化，使得这个易学易用的软件，在功能上也变得十分强大。９.1Multisim

基本操作一、Multisim的操作界面1.Multisim主菜单

主菜单提供常用的菜单操作如图所示。主菜单2.Multisim主工具栏

常用的操作命令

主工具栏提供常用的操作命令如图所示，用鼠标单击某一按钮，可完成其对应的功能。3.Multisim仪器仪表栏

仪器仪表栏仪器仪表栏如图所示。4.Multisim元器件库工具栏

元器件库栏

元器件库工具栏如图所示。1.Sources(电源库)

二、其他各种库2.Basic(基本元件库)

3.Mixed(模-数混合元器件库)

4.Diodes(二极管库)5.Misc(杂项元器件库)6.Transistors(晶体管库)7.MicsDigital(其他数字元器件库)

8.Analog(模拟器件库)9.TTL(TTL器件库)10.CMOS(CMOS器件库)11.RF(射频元器件库)12.Electro_Mechanical(机电元器件库)13.Ladder_Diagrams(梯形图库)14.Indicators(指示器库)

界面定制是指使用者利用软件提供的功能，定制界面以符合自己的工作习惯和喜好。Multlsim提供了三种定制Multisim界面的功能。②定制右键菜单：与所有Windows应用软件一样，Multisim8也有右键菜单功能。不仅如此，Multisim还提供了编辑右键菜单内容的功能，大家可以按自己的需要自定义右键菜单。③定制电路文件工作界面：可以按自己的喜好或需要，自定义电路颜色、页尺寸、符号系统(ANSI或DIN)和打印设置等。①定制软件操作界面：自定义工具栏、状态条和工作窗口等设置。三、Multlsim的界面定制

在用Multisim

进行仿真分析时，首先要创建电路文件，然后创建仿真电路。

仿真分析过程四、创建仿真电路

Multisim

允许在一个电路中同时使用多个相同的虚拟仪器，但它们的仪器标识不同。

Multisim

提供的虚拟仪器包括：数字万用表、函数信号发生器、功率表、示波器、波特图仪、数显频率计、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、伏安特性分析仪、失真分析仪、频谱分析仪、端口网络分析仪、Agilent函数信号发生器、Agilent数字万用表、Tektronix数字示波器、测量探针等等。９.2Multlsim

虚拟仪器一、虚拟仪器简介二、几种主要的虚拟仪器

几种主要的虚拟仪器（续）

测量探针的用法Multisim

中测量探针有两种方法，如图：Multisim

仿真环境中虚拟仪器的应用如图所示。三、虚拟仪器的应用

逻辑函数是以逻辑变量作为输入，以运算结果作为输出，输出和输入之间是一种函数关系，这种函数关系称为逻辑函数。常用的逻辑函数表示方法有真值表、函数表达式、逻辑图和卡诺图等，本节介绍前面三种以及这三种表示方法之间的相互转换。在Multisim仿真环境中，用虚拟逻辑转换仪（Logic

Converter）可方便实现三种表示方法的相互转换。一、逻辑函数表示方法及其相互转换的仿真分析９.3Multlsim

逻辑函数的仿真逻辑函数的表示方法及其相互转换仿真分析的主要内容如下：(1).数字电路的创建(2).逻辑图转换为真值表(3).真值表转换为最小项表达式(4).真值表转换为最简表达式(5).逻辑电路转换为与非-与非形式的电路

1.数字电路的创建⑴在元器件工具栏上，单击“TTL”按钮，选择“74”系列，选择所需要的门电路。⑵在虚拟仪器工具栏上，选择虚拟仪器Logic

Converter（逻辑转换仪）XLC1。⑶将门电路连接在一起，得到逻辑图；将门电路的输入端和输出端连接到逻辑转换仪XLC1对应的输入和输出端子。

2.数字逻辑电路某数字逻辑电路如图所示。3.逻辑图转换为真值表

双击逻辑转换仪图标，再点击图标，可得到对应的真值表。4.数字逻辑电路的真值表5.真值表转换为最小项表达式在图中，点击图标，得到该真值表对应的最小项表达式。6.数字逻辑电路的最小项表达式7.真值表转换为最简表达式在图中，点击图标，得到该真值表对应的最简表达式。8.数字逻辑电路的最简表达式9.逻辑电路转换为非-与非形式的电路在图中，点击图标，得到该逻辑电路的与非-与非形式的电路。10.数字逻辑电路的与非-与非形式

逻辑函数的化简在数字电路的分析和设计中非常重要，逻辑表达式越简单，它所表示的逻辑关系越明显，同时也有利于用最少的电子器件实现这个逻辑函数。逻辑函数的化简方法通常有公式化简法和卡诺图化简法。公式化简法存在无章可循、是否最简不易看出的缺点；卡诺图化简有其优点，但是对五变量以上的逻辑函数，用卡诺图化简不方便。而采用虚拟逻辑转换仪可方便得到逻辑函数的最小项表达式或最简表达式。逻辑函数化简举例：试化简逻辑函数:

为最简与或表达式。二、逻辑函数的化简

调用逻辑转换仪XLC1，双击XLC1图标，得到逻辑转换仪XLC1的显示界面。1.逻辑函数的化简

(1)在图下部的文本框中输入待化简的函数表达式，点击

图标，得到该函数表达式对应的真值表。2.逻辑函数的化简步骤

(2)在中，点击

图标，可得到该函数表达式对应的最简与-或表达式。逻辑函数Y对应的最简表达式为：

组合逻辑电路是指电路的输出仅仅决定于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。在组合逻辑电路中，常用的组合电路有编码器、译码器、数据选择器、加法器和数值比较器等。本节通过在Multisim环境中，对这些常用组合电路的仿真分析，熟悉常用组合电路的基本应用和仿真分析方法。９.4Multlsim常用组合逻辑电路的仿真一、常用组合逻辑电路的仿真分析

编码器的功能是将输入的每一个高、低电平信号转化成对应的二进制代码。在此以集成优先编码器74LS148为例，说明其基本的应用和仿真分析方法。二、编码器1.编码器的功能2.编码器74LS148的功能表编码器74LS148仿真电路如图所示。3.

74LS148仿真电路

译码器的逻辑功能是翻译代码，将每一个输入的二进制代码译成对应的高、低电平信号。因此，译码器是编码器的反操作。常用的译码电路有二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器。本节以二进制译码器74LS138为例，介绍其基本的应用和仿真分析方法。

74LS138为三线-八线译码器，输入为3位二进制代码，输出为8个对应的高低电平信号。三、译码器1.译码器功能２.译码器74LS138的功能表3.

74LS138的仿真电路4.

74LS138的仿真分析结果

数据选择器也叫多路开关，它是从一组数据中，选出一路来。如74LS151为8选1数据选择器，通过给定地址码，可以从8个输入信号中选出1路信号至输出端。四、数据选择器1.数据选择器的功能2.

74LS151数据选择器的功能

表决器的仿真电路3.数据选择器应用举例

M=0时，表决器的输入、输出波形如图所示。4.表决器的输入、输出波形

M=1时，表决器的输入、输出波形如图所示。

数值比较器用来比较两个二进制数的大小，当比较两个多位二进制数时，需从高到低比较，而且只有在高位相等时，才需要比较低位。在此通过对中规模集成比较器CD4585的仿真分析，说明数值比较器的应用和仿真分析方法。五、数值比较器1.数值比较器的功能2.

CD4585的逻辑符号数值判断电路的仿真电路3.数值比较器的应用举例

触发器是时序逻辑电路的基本单元，触发器能存储一位二值信号。为了能存储一位二值信号，触发器必须具备两个基本的特点：第一，具有两个自行保持的稳定状态，用来表示逻辑状态0和1，或二进制数0和1；第二，根据不同的输入信号可以置成0或1状态。触发器从电路结构上可分为基本触发器和时钟触发器两大类。本节通过对基本触发器和时钟触发器的仿真分析，验证触发器的逻辑功能和特点。９.5Multlsim触发器的仿真一、触发器的仿真分析触发器的功能：基本触发器又称为直接置位复位触发器，用两个与非门组成交叉耦合的结构。二、基本触发器的仿真分析1.基本RS触发器仿真电路2.基本RS触发器的输入、输出波形

时钟触发器顾名思议是触发器中有时钟触发信号，通常有同步RS触发器、主从触发器、维阻触发器、CMOS边沿触发器等。同时，由于控制方式的不同（即信号的输入方式以及触发器状态随输入信号变化的规律不同），触发器的逻辑功能又有所不同。因此根据触发器的逻辑功能的不同分为RS触发器、JK触发器、T触发器、T’触发器和D触发器这5种类型。本节以JK触发器和D触发器为例，说明触发器的功能特点、应用以及仿真分析方法。

三、时钟触发器的仿真分析1.JK触发器的功能2.JK触发器的状态转换图3.D触发器的功能4.D触发器的状态转换图

JK触发器构成T触发器，是将JK触发器的输入端J和K连在一起，令T=J=K，这样就构成T触发器。四、用JK触发器构成T触发器1.T触发器的输入、输出波形(T=1)2.T触发器的输入、输出波形(T=0)

令

。扩展以后的电路如图所示。五、用JK触发器构成T触发器用D触发器构成JK触发器电路对应的信号波形。

时序逻辑电路是数字电路的另一种类型，在这类逻辑电路中，任一时刻电路的输出信号不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态；或者说，还与以前的输入有关。常用的时序电路有寄存器和移位寄存器、计数器、顺序脉冲发生器、序列信号发生器等。本节通过对这些常用时序电路的仿真分析，明确常用时序电路的仿真分析方法、功能特点和应用。９.6时序逻辑电路的仿真一、常用时序逻辑电路的说明

常用的时序电路有寄存器和移位寄存器、计数器、顺序脉冲发生器、序列信号发生器等。本节通过对这些常用时序电路的仿真分析，使之明确常用时序电路的仿真分析方法、功能特点和应用。二、常用时序逻辑电路的仿真分析

寄存器用于存放一组二值代码，N位寄存器是由N个触发器构成的。移位寄存器能实现存数和移位的功能。本节以双向移位寄存器74LS194为例，说明寄存器的基本应用和仿真分析方法。三、寄存器和移位寄存器的应用1.双向移位寄存器74LS194的功能

双向移位寄存器74LS194具有存数、双向移位、置零和保持等功能。2.双向移位寄存器74LS194的应用用74LS194组成串行加法器如图所示。

仿真串行加法器3.电路中寄存器U1和U2的输出波形

计数器在数字电路中得到广泛应用，计数器不仅能用于对时钟脉冲进行计数，还可用于分频、定时、产生节拍和脉冲序列以及进行数字运算等。按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同步发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转有先有后，不是同时发生的。本节以同步二进制计数器74LS161为例，说明计数器的基本功能特点、应用和仿真分析方法。四、计数器的应用1.二进制计数器74LS161的功能2.二进制计数器74LS161的应用

用74LS161构成可变进制计数器如图所示。

仿真可变进制计数器

序列信号（串行数字信号）发生器在数字信号的传输和数字系统的测试中应用广泛，通常将这种能产生序列信号的电路称为序列信号发生器。序列信号发生器的构成方法有多种，可采用触发器和门电路构成，也可采用计数器和数据选择器构成等。本节以后者为例，说明序列信号发生器的功能、特点和仿真分析方法。五、序列信号发生器的仿真信息1.用计数器和数据选择器构成的序列信号发生器2.序列信号发生器的状态转换表3.电路产生的序列信号仿真分析

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、通信等许多领域得到广泛应用。用555定时器可方便地构成施密特触发器、多谐振荡器和单稳态触发器。本节以555定时器构成施密特触发器和单稳态触发器为例，说明555定时器的功能特点、应用以及仿真分析方法。９.7555定时器的应用电路的仿真一、555定时器的应用

以555定时器构成施密特触发器和单稳态触发器为例，说明555定时器的功能特点、应用以及仿真分析方法。二、555定时器的应用举例三、用555定时器构成的多谐振荡器四、用555定时器构成施密特触发器施密特触发器的输入、输出波形如图所示。五、用555定时器构成的单稳态触发器单稳态触发器的仿真波形如图所示。

为了能够使用数字电路处理模拟信号，必须将模拟信号转换为相应的数字信号，才能送入数字系统进行处理。同样，数字信号要控制模拟设备，往往要将数字信号转换为模拟信号，作为最后的输出。实现数字信号和模拟信号相互转换的设备是数-模转换器（DAC）和模-数转换器(ADC)。本节通过对常用DAC和ADC的仿真分析，说明DAC和ADC的基本原理、应用和仿真分析方法。

９.8模-数和数-模转换器的仿真一、模-数和数-模转换器

D/A转换器的构成方法很多，有权电阻型DAC、倒T型电阻网络DAC以及权电流型DAC等。但基本的实现原理都是构造一组电流，电流的大小和数字信号的各位的权值对应，然后将数字量等于1的位对应的各段电流相加，最后转换为模拟电压信号。本节首先介绍D/A转换的实现原理，接着以倒T型电阻网络DAC的构成为例，介绍DAC的功能、特点和仿真分析方法。二、D/A转换器的构成及应用仿真分析(1)D/A转换器的实现原理①构造一组电流②将输入代码中所有=1的位对应的电流求和③将总电流I转换成电压V01.D/A转换器的构成及应用(2)用倒T形电阻网络实现D/A转换器用倒T形电阻网络实现(手动输入)如图所示。(3)电路的仿真输出波形如图所示。2.D/A转换器倒T形电阻网络D/A转换器(自动输入)