門電路環形振蕩器仿真研究

摘 要：在測量門電路的傳輸延遲時間時，通常用門電路環形振蕩器，但門電路環形振蕩器振蕩頻率較高，對實驗儀器設備的要求也較高，用仿真實驗的方法有直觀明了的優點，所以在數字電路教學中常用仿真的方法來進行實驗。然而，在用仿真方法進行實驗分析時，實驗結果和實物實驗或理論分析會存在一些差異。分別用EWB的2種版本仿真軟件EWB 5和Multisim 9對門電路環形振蕩器進行仿真，分析出現差異的原因，指出在用仿真方法進行數字電路仿真分析和設計時要注意的問題。

關鍵詞：門電路；環形振蕩器；EWB 5；Multisim 9

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2008)02-043-03

Study on Gate Ring Multivibrator′s Simulation with EWB

ZHOU Huanyin1，MA Guohua1，TIAN Yanjun2

(1.College of Chemical Defense，Beijing，102205，China;2.Unit 91290，Beijing，102100，China)

Abstract：Gate ring multivibrator is often used to measuring the delay time of the logic gates.Because the frequency of the ring multivibrator is very high，the experiment needs advanced instrument.Making experiment by means of simulation is visual，so simulation is widely used in experiment education of digital circuit.However，the results of simulation are often different with real experiment or theoretic analysis.This paper simulates the circuits of ring multibibrator with EWB5 and Multisim 9，analyzes the reasons of difference，and points out the attentions of analysis and design digital circuits with simulation.

Keywords：gate circuit；ring multivibrator；EWB5；Mulitsim 9

1 引 言

把奇數個非門首尾相接串聯起來可構成環形振蕩器，電路將發生振蕩［1］。在數電實驗中，常用門電路串接為環形振蕩器的方法測量門電路的傳輸延遲時間［2-4］。門電路的傳輸延遲時間一般都很小，該實驗方法對示波器的要求較高，用普通20 M的模擬示波器實驗效果很差，很難測量到準確的結果，用60 M以上的數字存儲示波器才能測得較準確的結果。用仿真的方法進行實驗，操作方便、結果直觀明了，可以完成很多在實物實驗中完成起來比較困難的實驗。在實驗中，對儀器要求較高的或較難做的實驗常常用仿真實驗的方法來進行。然而，在用EWB軟件對該門電路環形振蕩器進行仿真時，發現仿真實驗結果往往和理論分析結果或實際實驗結果不同，其得不到正確的結果。下面用EWB仿真軟件對門電路環形振蕩器進行仿真分析。

2 仿真實驗

電子工作平臺（Electronics Workbench，EWB）是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的基于Windows操作系統的EDA軟件，其具有容易掌握、元器件豐富齊全、界面直觀、分析方法多、操作簡單易用的優點。擁有這套軟件，就相當于擁有一個先進的、功能強大的電子實驗室，是電工電子教學很好的輔助工具軟件；利用EWB開設電路的分析與設計仿真實驗，可以提高實驗的工作效率，減少實驗儀器、設備及器件的損耗，降低實驗成本，同時還能夠降低實驗對實驗儀器設備的依賴程度，能夠完成一些對儀器設備要求較高而不容易完成的實驗。EWB軟件低的版本為EWB，如EWB 5.0等，高的版本為Multisim，如Multisim 2001，Multisim 8.0等，目前使用較廣泛的版本是Multisim 9.0。

2.1 EWB 5仿真實驗

用光標查看振蕩周期，周期不是理論分析的100 ns，而是20 ns；振蕩波形是方波，而不是實物實驗的近似正弦波形。而且改變電路中的門的個數，振蕩周期不變，與理論分析和實物實驗結果不同。

原因分析：造成振蕩周期仿真錯誤的主要原因是仿真是理想情況下的仿真，仿真電路所使用的邏輯門完全相同，沒有考慮各個門之間的差異和外界干擾等不定因素。每個門的輸出端初始狀態都為0，仿真開始時，經過1個傳輸延遲時間，則非門輸出1。由于每個非門的初態都為0，所以每個門的變化都完全一樣：每經過一個傳輸延遲時間，輸出同時變成1，再經過一個傳輸延遲時間，輸出又同時變為0，即同時變0，又同時變1，5個門的狀態變換就是：00000→11111→00000反復循環，每經過1個延遲時間，狀態轉換一次，所以此時振蕩周期為20 ns，改變邏輯門的個數輸出信號的振蕩周期始終不變。

對電路進行改進，改進后電路圖如圖3所示。仿真時先把開關K接0，此時與非門和4個非門的輸出狀態依次為1，0，1，0，1，然后在把開關K接到1，開關接到1時，這時與非門就相當于非門，電路與圖1相同。這時就可以用通常的分析方法進行分析，改變邏輯門的個數，振蕩周期相應改變。電路改進后的波形如圖4所示。

造成波形為方波的原因：仿真軟件主要分析電路的邏輯狀態，沒有對電路過渡的暫態過程進行詳細分析，部分效應或過程被忽略，比如電路中的電容、電感效應，導線的傳輸延遲等在仿真軟件中都沒有考慮。

2.2 Multisim 9仿真實驗

EWB 5與Multisim 9相比，界面更美觀，但器件少、功能都較少。EWB 5中同樣的器件，其參數不能設置為不同，致使部分實驗不能正常進行仿真。Multisim 9中同樣的2個器件，仿真功能更強，可以設置不同的參數。門電路環形振蕩器的Multisim仿真電路如圖5所示。

用Multisim 9按圖5所示進行仿真，3個邏輯門的傳輸延遲時間參數相同，均為默認的參數值，即tPLH=22 ns，tPHL=15 ns，則門邏輯門的傳輸延遲時間應該為18.5 ns，圖5電路的振蕩周期應該為111 ns。仿真輸出的波形圖如圖6所示。

從圖6可以看出，產生的振蕩信號的周期約為110 ns，與理論分析相符。仿真結果與圖1的結果不同是因為圖1除了所述的問題外，EWB 5不考慮示波器對電路的影響，每個非門工作狀態完全相同；圖5考慮了示波器對電路的影響，圖5電路第3個非門的輸出端接有示波器，其負載與第1，2個非門的負載不同，會導致3個門工作狀態不完全相同，導致不完全同步，就不會出現EWB 5中00000→11111→00000反復循環變化現象，得到了正確的仿真結果。改變邏輯門的個數，振蕩周期將會相應改變。如果將圖５電路稍加改動，用示波器3蹤同時觀察，這時，三個非門的輸入輸出端接法相同（軟件不考慮導線的影響），改變后的電路如圖７所示，輸出的波形如圖８所示。

從圖８可以看出，3蹤信號完全同步，振蕩周期約為38 ns，與前述00000→11111→00000反復循環變化結果相同，而與實物實驗結果不同。如果改變其中任何一個門的參數，例如將第一個門的tPHL由15 ns改為35 ns，這時3個門不完全相同，就不會出現EWB 5中00000→11111→00000反復循環變化現象，此時三個門的傳輸延遲時間分別為18.5 ns，18.5 ns，28.5ns，振蕩周期應該為131 ns，仿真輸出的波形如圖9所示。

從圖9的波形可以看出，輸出波形的周期與上述分析相同。綜上所述，實際電路中同樣的器件，其工作狀態總存在差異，可看成不同的器件。但仿真電路中同樣的器件如果設置相同的參數，器件模型相同，就當作相同的器件。仿真電路和實際電路的工作狀態就可能不同，從而導致錯誤的仿真結果。

3 結 語

從上述仿真實驗分析可以看出，數字電路中，電路的細微差別都可能導致完全不同的結果，在進行仿真實驗時，很容易出現這個錯誤。在實物實驗中，用同樣的器件，但同樣的器件其參數、性能不可能完全相同，還有電路中的電容效應、電感效應以及導線等因素的影響，都會導致同樣的器件間存在差異。在對電路進行仿真時，就不能在用完全相同的模型來進行仿真，否則可能會得到錯誤的結果。在用其他軟件或對其他電路進行仿真時，同樣要注意這個問題，以免出錯。

參 考 文 獻

［1］閻石.數字電子技術基礎\\[M\\].5版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］王小海，蔡忠法.電子技術基礎實驗教程\\[M\\].北京：高等教育出版社，2005.

［3］施金鴻，陳光明.電子技術基礎實驗與綜合實踐教程\\[M\\].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［4］周宦銀，房宗良，朱玲贊.導線中電傳輸速度的測量\\[J\\].儀器儀表學報，2006，27（增刊）：95-97.

［5］周宦銀，呂子勇，馬桂珍.EWB仿真軟件中的幾個錯誤\\[J\\].實驗技術與管理， 2007，2

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。