某型裝備準(zhǔn)備與檢查組件門限產(chǎn)生單元仿真研究

■ 鄧孝元 方濤 關(guān)偉 賀中武/ 國營長虹機(jī)械廠 957 部隊(duì)

0 引言

某型裝備在完成裝配后和工作前都需要進(jìn)行準(zhǔn)備和檢查組件的檢測，該組件通過對其部件順序發(fā)送控制信號，啟動相關(guān)設(shè)備，檢測各部件反饋回來的信號，以確定這些部件是否正常。

門限產(chǎn)生單元是組件12 個單元中極為關(guān)鍵的一部分，主要承擔(dān)時序邏輯時鐘的產(chǎn)生和門限的觸發(fā)。由于此單元電路中幾乎全部為數(shù)字電路，測試對象復(fù)雜，既有組合邏輯電路也有時序邏輯電路，一旦出現(xiàn)故障極難排除和修復(fù)，造成排故工作費(fèi)時費(fèi)力，故需要對此單元的機(jī)理進(jìn)行深入研究分析。Multisim電路仿真軟件具有強(qiáng)大的電路仿真功能，可將數(shù)模混合電路結(jié)合起來，通過此電路仿真軟件模擬門限產(chǎn)生單元各模塊電路，能夠有效地進(jìn)行器件級別的仿真研究。

1 門限產(chǎn)生單元各模塊關(guān)鍵器件及工作原理分析

門限產(chǎn)生單元主要承擔(dān)時序邏輯時鐘的產(chǎn)生和門限的觸發(fā)，其內(nèi)部主要為由К134TB1 數(shù)據(jù)鎖定J-K 觸發(fā)器組成時序組合邏輯電路，四2 輸入與非門相互配合使用組成門限產(chǎn)生電路，四2 輸入與非門和К134TB1 雙J-K 觸發(fā)器（帶清除端）組成清零端電路。

1.1 К134TB1 數(shù)據(jù)鎖定J-K 觸發(fā)器

К134TB1 觸發(fā)器為單片TTL 小規(guī)模半導(dǎo)體集成電路，功能為待預(yù)置端和清除端的數(shù)據(jù)鎖定（與門輸入）主從J-K觸發(fā)器，屬于下降沿觸發(fā)，其邏輯圖和外引線排列圖如圖1 所示，其輸入K 端和J 端符合以下方程：

圖1 К134TB1觸發(fā)器邏輯圖和外引線排列圖

設(shè)輸入J 端第7 號、8 號、9 號管腳分別為J11、J12、J13，K 端第1 號、13 號、14號管腳分別為K21、K22、K23，代入式（1）可得：

1.2 К133ЛА3 四2 輸入與非門

К133ЛА3 四2 輸入與非門為單片TTL 小規(guī)模半導(dǎo)體集成電路，由4 個獨(dú)立而又完全相同的2 輸入端與非門組成，其邏輯圖和外引線排列圖如圖2 所示，圖中未標(biāo)出的7 引腳為GND，14 引腳為VCC。

圖2 К133ЛА3四2輸入與非門邏輯圖和外引線排列圖

1.3 К133ЛА2 八輸入與非門

К133ЛА2 八輸入與非門為單片TTL 小規(guī)模半導(dǎo)體集成電路，功能為8個輸入端與非門組成，其邏輯圖和外引線排列圖如圖3 所示。

圖3 К133ЛА2八輸入與非門邏輯圖和外引線排列圖

以上主要對門限產(chǎn)生單元各模塊關(guān)鍵器件的工作原理、邏輯圖和外引線排列圖以及相關(guān)功能進(jìn)行了分析，為下一步研究此單元提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

2 門限產(chǎn)生單元各模塊仿真分析

2.1 門限產(chǎn)生模塊仿真

2.1.1 S 門限產(chǎn)生模塊

1）S 門限產(chǎn)生模塊工作原理

S 門限產(chǎn)生電路主要由К133ЛА3四2 輸入與非門組成，如圖4 所示。

圖4 S門限產(chǎn)生電路

根據(jù)Y5 四2 與非門組成的電路，可得出邏輯表達(dá)式如下：

其中，Y5（6）表示Y5器件6號管腳，I21 表示插針21。

通過以上各式，可得：

當(dāng)I21 端輸入0 時，Y5（3）輸出1，Y5（8）輸 出0，Y5（6）輸 出1；當(dāng)I21 端輸入1 時，Y5（3）輸出0，Y5（8）輸出0，Y5（6）輸出0。

由此可以得到結(jié)論：Y5（6）（即門限S）與非門的輸出由插針I(yè)21 輸入控制。當(dāng)I21 無輸入時，+5V 端強(qiáng)制使I21 置1。

2）S 門限產(chǎn)生模塊仿真

S 門限產(chǎn)生模塊主要由三個2 輸入與非門、兩個1kΩ電阻和輸入端等組成。通過Multisim 仿真軟件搭建此模塊仿真電路，如圖5 所示。

圖5 中，信號發(fā)生器XFG1 模擬插針I(yè)21 輸入控制，示波器XSC1 采集輸出端信號（即門限S）。根據(jù)插針I(yè)21輸入的不同信號，產(chǎn)生不同的門限S，將其分為兩種信號，即無輸入時和輸入高低電平（即脈沖信號）時。

圖5 S門限產(chǎn)生模塊仿真電路

當(dāng)插針I(yè)21 無輸入時，+5V 端強(qiáng)制使I21 置1，其仿真結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 仿真結(jié)果可知，示波器XSC1 通道A 采集到的信號為高電平，通道B 采集到的信號為低電平，產(chǎn)生的門限S 為低電平。

圖6 I21無輸入的仿真結(jié)果

當(dāng)插針I(yè)21 輸入頻率為50Hz、占空比為50%、振幅為5V 的脈沖信號時，仿真結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 仿真結(jié)果可知，示波器XSC1 通道A 采集到的信號為插針I(yè)21輸入的脈沖信號，通道B 采集到頻率為50Hz、占空比為50%、振幅為2.5V 的脈沖信號，即此時的門限S。

圖7 I21輸入脈沖信號的仿真結(jié)果

2.1.2 S1 門限產(chǎn)生模塊

1）S1 門限產(chǎn)生模塊工作原理

S1 門限產(chǎn)生電路主要由К133-ЛА3四2輸入與非門和二極管等組成，D2 二極管和D1 二極管為保護(hù)二極管，如圖8 所示。

圖8 S1門限產(chǎn)生電路

根據(jù)Y3 四2 與非門組成的電路，可得出邏輯表達(dá)式如下：

當(dāng)I15 輸入1，插針I(yè)17 輸入0 時，Y3（6）輸 出0，Y3（3）輸 出1；當(dāng)I15 輸入0，插針I(yè)17 輸入1 時，Y3（6）輸出1，Y3（3）輸出0；當(dāng)I15 輸入0，插針I(yè)17 輸入0 時，Y3（6）輸出1，Y3（3）輸出1；當(dāng)I15 輸入1，插針I(yè)17 輸入1 時，Y3（6）輸出和Y3（3）輸出任意。

由此得到結(jié)論：Y3（3）（即門限S1）的輸出由插針I(yè)15、I17 輸入共同控制。

2）S1 門限產(chǎn)生模塊仿真

S1 門限產(chǎn)生模塊主要由三個2 輸入與非門和兩個512Ω 電阻、一個1kΩ電阻、二極管以及輸入端等組成，通過Multisim 仿真軟件搭建此模塊仿真電路，如圖9 所示。

圖9 S1門限產(chǎn)生模塊仿真電路

圖9 中，信號發(fā)生器XFG1 模擬插針I(yè)15 輸入控制，信號發(fā)生器XFG2 模擬插針I(yè)17 輸入控制，示波器XSC1 分別采集輸入端和輸出端（即門限S1）信號。根據(jù)插針I(yè)15、I17 輸入的不同信號，將其分為兩種信號，即插針I(yè)15 分別輸入高電平、低電平且插針I(yè)17 輸入脈沖信號時產(chǎn)生不同的門限S1。

當(dāng)插針I(yè)15 輸入低電平且插針I(yè)17 輸入頻率為50Hz、占空比為50%、振幅為5V 的脈沖信號時，其仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10 仿真結(jié)果可知，示波器XSC1 通道B 采集到的信號為插針I(yè)17 輸入的脈沖信號，通道C 采集到頻率為50Hz、占空比為50%、幅度為2.5V 的脈沖信號，即當(dāng)插針I(yè)17 輸入為高電平時，門限S1 輸出為低電平；當(dāng)插針I(yè)17 輸入為低電平時，門限S1 輸出為高電平。

圖10 插針I(yè)15輸入低電平的仿真結(jié)果

當(dāng)插針I(yè)15 輸入高電平且插針I(yè)17 輸入為高電平時，仿真結(jié)果如圖11 所示。

由圖11 仿真結(jié)果可知，當(dāng)插針I(yè)15 和I17 輸入都為高電平時，示波器XSC1 通道A、通道B 采集到的信號均為高電平信號，通道C 采集到的門限S1 信號在0 ～+5V 范圍內(nèi)不斷變化。

圖11 插針I(yè)15、I17都輸入高電平的仿真結(jié)果

當(dāng)插針I(yè)15 輸入高電平且插針I(yè)17 輸入為低電平時，其仿真結(jié)果如圖12 所示。

由圖12 仿真結(jié)果可知，當(dāng)插針I(yè)15 輸入高電平、插針I(yè)17 輸入低電平時，示波器XSC1 通道A 采集到的信號為高電平信號，通道B 采集到的信號為低電平信號，通道C 采集到的門限S1 信號為高電平信號。

圖12 I15輸入高電平、I17輸入低電平的仿真結(jié)果

2.2 時序產(chǎn)生模塊仿真

2.2.1 時序CP1 產(chǎn)生模塊

1）時序CP1 產(chǎn)生模塊工作原理

時序CP1 產(chǎn)生模塊主要由К133ЛА2 八輸入與非門、К133ЛА3 四2 輸入與非門、1kΩ 電阻和輸入端（S、S1）等組成，如圖13 所示。

圖13 時序CP1產(chǎn)生模塊電路

由Y4 八輸入與非門組成的電路分析：

由電路可知，Y3（3）=Y2（11），故將式（3）～（6）代入式（7）可得：

2）時序CP1 產(chǎn)生模塊仿真

時序CP1 產(chǎn)生模塊主要由К133ЛА2 八輸入與非門和輸入端（S、S1）等組成，通過Multisim 仿真軟件搭建此模塊仿真電路，如圖14 所示。

圖14 中，信號發(fā)生器XFG1、XFG2、XFG3 分別模擬插針I(yè)22、I18（I33）、I16 輸入控制，NAND8 模擬八輸入與非門，示波器XSC1 采集輸出端時鐘CP1 信號。

圖14 S1門限產(chǎn)生模塊仿真電路

因?yàn)镃P1 時鐘信號由多個輸入端共同控制，且輸入К133ЛА2 八輸入與非門，若有一個輸入為低電平，輸出都為高電平，故模擬各輸入端都輸入頻率為50Hz、占空比為50%、振幅為5V 的脈沖信號時產(chǎn)生的CP1 信號，仿真結(jié)果如圖15 所示。

由圖15 仿真結(jié)果可知，當(dāng)門限S、門限S1，插針I(yè)22、I18、I16 輸入一致時，示波器XSC1 通道A 采集到的信號即產(chǎn)生的CP1 時鐘信號，為頻率50Hz、占空比50%、振幅2.5V的脈沖信號。

圖15 門限（S、S1）、插針（I22、I18、I16）輸入一致時的仿真結(jié)果

2.2.2 時序CP2 產(chǎn)生模塊仿真

1）時序CP2 產(chǎn)生模塊工作原理

時序CP2 產(chǎn)生模塊主要由К134TB1 觸發(fā)器、К133ЛА2 八輸入與非門、К133ЛА3 四2 輸入與非門和輸入端（S、S1、CP1）等組成，如圖16 所示。

通過圖16 可知，該電路主要由Y1、Y9、Y10、Y11 四觸發(fā)器組成，設(shè)由Y1、Y9、Y10、Y11 觸發(fā)器組成的計(jì)數(shù)器輸出現(xiàn)態(tài)分別為，次態(tài)分別為；輸入分別為J1、J2、J3、J4；K1、K2、K3、K4。根據(jù)該型觸發(fā)器的方程式（2），將各式代入得：

圖16 CP2產(chǎn)生模塊電路

則得出CP2 的邏輯表達(dá)式為：

根據(jù)式（14）可知，僅當(dāng)Q1Q2Q3Q4= 0000，且CP1=1 時，Y19（1）=1。

2）時序CP2 產(chǎn)生模塊仿真

時序CP2 產(chǎn)生模塊主要由К134TB1 觸發(fā)器和輸入端（S、S1、CP1）等組成，通過Multisim 仿真軟件搭建此模塊仿真電路，如圖17 所示。

圖17 S1門限產(chǎn)生模塊仿真電路

圖17 中，信號發(fā)生器XFG1 模擬時鐘信號CP1 輸入，NAND8 模擬八輸入與非門，示波器XSC1 的通道A 和通道B 分別采集輸入端時鐘CP1 信號和輸出端時鐘CP2 信號。

當(dāng)輸入頻率為50Hz、占空比為50%、振幅為5V 的CP1 脈沖信號，門限S 輸入高電平信號時，仿真結(jié)果如圖18 所示。

由圖18 仿真結(jié)果可知，示波器XSC1 通道A 采集到的信號即為輸入的CP1 時鐘信號，通道B 采集到頻率為25Hz、占空比為25%、振幅為2.5V 的脈沖信號，即為產(chǎn)生的CP2 信號，且僅當(dāng)CP1 信號在第二個周期為高電平時，觸發(fā)時鐘CP2 信號。

圖18 時序CP2產(chǎn)生模塊仿真結(jié)果

以上主要對門限產(chǎn)生單元的門限產(chǎn)生模塊、時序產(chǎn)生模塊進(jìn)行了電路原理分析，通過Multisim 電路仿真軟件搭建各模塊的仿真電路，并進(jìn)行了模擬仿真，得出了各模塊在輸入端不同狀態(tài)下的輸出波形。

3 總結(jié)

針對某型裝備準(zhǔn)備和檢查組件難以修復(fù)的問題，對其門限產(chǎn)生單元的關(guān)鍵器件工作原理及電路原理進(jìn)行分析，推導(dǎo)出各模塊電路的邏輯表達(dá)式，得出輸入端與輸出端的關(guān)系。通過Multisim 電路仿真軟件對門限產(chǎn)生單元的S、S1 門限產(chǎn)生模塊，對CP1、CP2 時序產(chǎn)生模塊進(jìn)行了模擬電路的搭建及仿真，得出在輸入端不同狀態(tài)下各輸出端的輸出信號。通過對門限產(chǎn)生單元電路的仿真研究，為后續(xù)此類問題的修理排故提供一定的理論基礎(chǔ)，以提高深修精修能力和修理效率。