Multisim13仿真軟件在觸發(fā)器中的應(yīng)用分析

張學文，司佑全

( 湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

文獻[1]從理論上對基本RS觸發(fā)器和同步RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”進行了分析與實驗驗證，文獻[2～4]依據(jù)與非門的邏輯關(guān)系并考慮門的延遲時間，分析了基本RS觸發(fā)器“不確定狀態(tài)”，文獻[5]給出了具有置0、置1功能及“不確定狀態(tài)”的同步RS觸發(fā)器的Multisim仿真方法。

上述文獻[1]～[6]對基本RS觸發(fā)器和同步RS觸發(fā)器中的一種或者兩種的“不確定狀態(tài)”進行了分析，本文在對這兩種電路進行分析的基礎(chǔ)上，還對主從RS觸發(fā)器、主從JK觸發(fā)器進行了分析，并利用Multisim13仿真軟件中的字信號發(fā)生器輸入信號，四蹤示波器同時觀察輸入和輸出波形，找到“不確定狀態(tài)”，對其產(chǎn)生的原因進行分析，將理論分析與仿真分析相結(jié)合，為電路設(shè)計提供參考。此工作解決了觸發(fā)器的工作波形無法用實驗儀器進行分析驗證的問題，同時對四種電路進行仿真分析，進一步完善了從基本RS觸發(fā)器→同步RS觸發(fā)器→主從RS觸發(fā)器→主從JK觸發(fā)器的電路改進過程。其結(jié)果表明：只有觸發(fā)器特性方程沒有約束條件時，才不會出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”,由此從本質(zhì)上解釋了“不確定狀態(tài)”特性。

1 RS觸發(fā)器的不確定狀態(tài)

將兩個與非門交叉連接構(gòu)成圖1所示的基本RS觸發(fā)器。其邏輯功能如表1所示[1]。

表1 與非門構(gòu)成RS觸發(fā)器的功能表

圖1 與非門構(gòu)成的RS觸發(fā)器

對于“不確定狀態(tài)”，學生理解起來比較困難，實驗也沒法觀察到。利用Multisim13仿真軟件在四蹤示波器上可以很清晰地觀察到非定義狀態(tài)的狀態(tài)變化。同時也較好地解釋了為什么基本RS觸發(fā)器的輸入信號需要遵守SR=0的條件。

圖2 基本RS觸發(fā)器仿真電路

實際電路中門電路的延遲時間不可控，而在Multisim13中可以改變單個門電路的延遲時間，當U1A、U1B延遲時間不同，而且是確定的， RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)就可以確定。

圖4 示波器觀察基本RS觸發(fā)器輸出情況(U1A延遲時間長)

圖5 示波器觀察基本RS觸發(fā)器輸出情況(U1B延遲時間長)

2 同步RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”

RS觸發(fā)器輸入信號存在競爭，容易冒險；輸出受輸入信號直接控制，噪聲可以直接改變輸出，RS觸發(fā)器無法區(qū)分輸入是信號還是噪聲，無法處理干擾。所以需要對兩個輸入信號進行預處理。

在電平觸發(fā)的觸發(fā)器電路中，除了置1、置0輸入端外，增加了一個觸發(fā)信號輸入端CLK.只有CLK有效，觸發(fā)器才能置1、置0[3]。在時鐘CLK=1期間接收S、R輸入信號并改變狀態(tài), 在CLK的其他期間狀態(tài)不變。如圖6所示。

四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、S、R、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖7所示。

圖6 同步RS觸發(fā)器電路

字信號發(fā)生器設(shè)置為00→01→02→03→00→03→01→02→00之間循環(huán)，其輸出端接入同步RS觸發(fā)器的輸入端S、R，CLK，接時鐘脈沖，四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、S、R、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖7所示。

從圖7中可以看到，情形1：S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖?；情?：CLK為高電平，S、R同時由1變?yōu)?.這兩個時刻會出現(xiàn)Q不斷地在0,1之間變化；情形1：對應(yīng)圖7中看到的左邊和右邊紫色的區(qū)域；情形2：對應(yīng)中間的一塊紫色區(qū)域。同步RS觸發(fā)器可以利用CLK進行選通控制，抗干擾能力有所提升，但觸發(fā)方式仍然是電平觸發(fā)，存在空翻現(xiàn)象[5]。

3 主從RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”

字信號發(fā)生器設(shè)置為00→01→02→03→00→03→01→02→00之間循環(huán)，其輸出端接入同步RS觸發(fā)器的輸入端S、R，CLK接時鐘脈沖，四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、S、R、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖8、圖9所示。

圖8 主從RS觸發(fā)器電路

從圖9中可以看到當S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖降臅r刻開始一直到下一個下降沿脈沖到來(一個CLK的變化周期)，Q不斷地在0,1之間變化，圖7中看到的一塊紫色區(qū)域，就是主從RS觸發(fā)器的“不確定狀態(tài)”。主從RS觸發(fā)器是脈沖觸發(fā)。

4 主從JK觸發(fā)器

字信號發(fā)生器設(shè)置為00→01→02→03→00→03→01→02→00之間循環(huán)，其輸出端接入主從JK觸發(fā)器的輸入端J、K，CLK接時鐘脈沖，四蹤示波器A、B、C、D分別接CLK、J、K、Q，從上至下，依次觀察到的波形如圖10、圖11所示。

圖10 主從JK觸發(fā)器電路

5 總結(jié)

通過Multisim13仿真軟件中的四蹤示波器顯示輸入信號及狀態(tài)輸出信號的波形，對時序波形進行分析，觀察基本RS觸發(fā)器、同步RS觸發(fā)器、主從RS觸發(fā)器中 “不確定狀態(tài)”發(fā)生的時間段，得到：

2)對同步RS觸發(fā)器，當CLK為高電平S、R同時從1變?yōu)?，或者S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖?，都會出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。

3)對主從RS觸發(fā)器，當S=R=1，CLK從高電平變?yōu)榈碗娖降臅r刻開始一直到下一個下降沿脈沖到來(一個CLK的變化周期)，輸出端出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。

觸發(fā)器特性方程如果有約束條件，當輸入信號不滿足約束條件時，輸出端可能會出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。只有觸發(fā)器特性方程沒有約束條件時，才不會出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”。

同步RS觸發(fā)器存在不確定狀態(tài)和空翻，主從RS觸發(fā)器克服了空翻，JK觸發(fā)器解決了RS觸發(fā)器存在不確定狀態(tài)的問題。通過比較分析，電路逐步改進過程，弄清不同電路結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的動作特點和規(guī)律,特別是出現(xiàn)“不確定狀態(tài)”的條件, 對理解和分析其它觸發(fā)器及整個時序電路都有重要的借鑒作用，同時對特殊時序電路設(shè)計出現(xiàn)同類問題時的解決具有一定的參考作用。