门电路延迟时间的Multisim仿真测试方案

摘  要：介绍了用Multisim 仿真软件测试门电路延迟时间的方法，提出了三种测试方案，即将奇数个门首尾相接构成环形振荡电路，用虚拟示波器测试所产生振荡信号的周期，计算门的传输延迟时间；奇数个门首尾相接构成环形振荡电路，用虚拟示波器测试其中一个门的输入信号、输出信号波形及延迟时间；在一个门的输入端加入矩形脉冲信号，测试一个门的输入信号、输出信号波形及延迟时间。所述方法的创新点是，解决了受示波器上限频率限制实际硬件测试效果不明显的问题,并给出Multisim 软件将门的初始输出状态设置为0 时，使测试电路不能正常工作的解决方法。
   　　0   引  言
   　　门电路的传输延迟时间tpd 是表示工作速度的指标，实验室硬件测量的一般方法是，将N 个门( N为奇数) 首尾相接构成振荡周期为T = 2N tpd的环形振荡电路，用示波器通过显示的波形测量出振荡周期T后，再计算出传输延迟时间tpd。
   　　由于门的传输延迟时间tpd 很短，测量时受示波器上限频率限制，测量效果较差，而用Mult isim 软件仿真测试，可获得理想的实验效果。
   　　以下分析用Mult isim 2001版本，所得结论也适于其他版本。
   　　1   Multisim仿真测试方案
   　　1. 1   测试方案1
   　　将奇数个门首尾相接构成环形振荡电路，用虚拟示波器测试所产生振荡信号的周期，计算门的传输延迟时间。
   　　设所用门的个数为N ，振荡信号的周期为T ，则传输延迟时间为：
   

　　以反相器74LS04N 作为仿真实验器件，构建仿真实验电路如图1 所示。
   
  
   
图1  测试方案1 的仿真实验电路
   　　由于Mult isim 软件将每个门的初始输出状态设置为0，直接用奇数个门首尾相接构成环形振荡电路进行仿真时，出现 " nable to determine the simulatiONtimeSTep automatically" 的提示，无法同步仿真模拟。
   　　解决的方法是在左边第一个门U1A 的输入端接入转换开关J1 ，仿真时先将开关J1 置于接地状态，电路对输入的0 信号进行处理后便脱离设置的初始输出状态，再将转换开关J1 置于接输出端构成环形振荡电路。
   　　仿真前，可对74LS04N 的上升延迟时间及下降延迟时间进行设置，如设置r ise delay= 10 ns，fall delay=10 ns。
   
   
   　　仿真时示波器显示的波形及振荡周期测试如图2所示。
   　　测试的振荡周期T = 102. 2 ns，则传输延迟时间tpd= T/ ( 2N ) = 102. 2/ 10= 10. 22 ns，结果与设定值基本一致。
   

图2  图1 电路输出波形及振荡周期测试
   　　1. 2   测试方案2
   　　将奇数个门首尾相接构成环形振荡电路，用虚拟示波器测试其中一个门的输入信号、输出信号波形及延迟时间。
   　　以反相器74LS04N 作为仿真实验器件，构建仿真实验电路如图3 所示。
   

图3   测试方案2 的仿真实验电路
   　　仿真前，可对74LS04N 的上升延迟时间及下降延迟时间进行设置，如设置r ise delay= 10 ns，fall delay=10 ns。
   　　仿真时示波器显示的输入信号、输出信号波形及延迟时间测试如图4 所示。
   

图4  图3 电路输入、输出波形及延迟时间测试
   　　测试的传输延迟时间tpd = 11. 1 ns，测量结果与设定值基本一致。
   
   　　1. 3   测试方案3
   　　在一个门的输入端加入矩形脉冲信号，测试一个门的输入信号、输出信号波形及延迟时间。外加信号的周期T = 2N tpd ，以保证门的工作频率和前述其他测试方法相同。
   　　以反相器74LS04N 作为仿真实验器件，构建仿真实验电路如图5 所示，信号发生器输出矩形脉冲的频率选为10 MHz。
   

图5  测试方案3 的仿真实验电路
   　　仿真前，可对74LS04N 的上升延迟时间及下降延迟时间进行设置，如设置rise delay= 10 ns，fall delay=10 ns。
   　　仿真时示波器显示的输入信号、输出信号波形及延迟时间测试如图6 所示。
   

图6  图5 电路输入、输出波形及延迟时间测试
   　　测试的传输延迟时间tpd = 11. 0 ns，测量结果与设定值基本一致。
   　　2   误差分析
   　　上述三种测试方案的测试结果表明存在误差，原因是组成测试电路时门的输入端、输出端接入测试仪器,使门的输入端、输出端存在负载效应，从而使延迟时间略大于设定值。
   　　在测试方案1 中，示波器接至一个门的输出端，仅对门的输出端产生影响；测试方案2、3 中，示波器接至一个门的输入端、输出端，对门的输入端、输出端均产生影响。所以测试方案1 测试的延迟时间小于测试方案2、3；测试方案2、3 测试的延迟时间基本相同。
   　　3   结  语
   　　Multisim 软件仿真具有丰富的仿真分析能力，但也存在一些问题及不足，使用时必须认真分析思考软件的设置条件，改进仿真实验方法，才能达到预期的实验效果。
   　　所述方法具有实际应用意义，这些方法亦可用于其他功能逻辑门传输时间的仿真测试。