门电路环形振荡器仿真研究

摘 要：在测量门电路的传输延迟时间时，通常用门电路环形振荡器，但门电路环形振荡器振荡频率较高，对实验仪器设备的要求也较高，用仿真实验的方法有直观明了的优点，所以在数字电路教学中常用仿真的方法来进行实验。然而，在用仿真方法进行实验分析时，实验结果和实物实验或理论分析会存在一些差异。分别用EWB的2种版本仿真软件EWB 5和Multisim 9对门电路环形振荡器进行仿真，分析出现差异的原因，指出在用仿真方法进行数字电路仿真分析和设计时要注意的问题。

关键词：门电路；环形振荡器；EWB 5；Multisim 9

中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2008)02-043-03

Study on Gate Ring Multivibrator′s Simulation with EWB

ZHOU Huanyin1,MA Guohua1,TIAN Yanjun2

(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

把奇数个非门首尾相接串联起来可构成环形振荡器，电路将发生振荡［1］。在数电实验中，常用门电路串接为环形振荡器的方法测量门电路的传输延迟时间［2-4］。门电路的传输延迟时间一般都很小，该实验方法对示波器的要求较高，用普通20 M的模拟示波器实验效果很差，很难测量到准确的结果，用60 M以上的数字存储示波器才能测得较准确的结果。用仿真的方法进行实验，操作方便、结果直观明了，可以完成很多在实物实验中完成起来比较困难的实验。在实验中，对仪器要求较高的或较难做的实验常常用仿真实验的方法来进行。然而，在用EWB软件对该门电路环形振荡器进行仿真时，发现仿真实验结果往往和理论分析结果或实际实验结果不同，其得不到正确的结果。下面用EWB仿真软件对门电路环形振荡器进行仿真分析。

2 仿真实验

电子工作平台（Electronics Workbench,EWB）是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的基于Windows操作系统的EDA软件，其具有容易掌握、元器件丰富齐全、界面直观、分析方法多、操作简单易用的优点。拥有这套软件，就相当于拥有一个先进的、功能强大的电子实验室，是电工电子教学很好的辅助工具软件；利用EWB开设电路的分析与设计仿真实验，可以提高实验的工作效率，减少实验仪器、设备及器件的损耗，降低实验成本，同时还能够降低实验对实验仪器设备的依赖程度，能够完成一些对仪器设备要求较高而不容易完成的实验。EWB软件低的版本为EWB，如EWB 5.0等，高的版本为Multisim，如Multisim 2001,Multisim 8.0等，目前使用较广泛的版本是Multisim 9.0。

2.1 EWB 5仿真实验

用光标查看振荡周期，周期不是理论分析的100 ns，而是20 ns；振荡波形是方波，而不是实物实验的近似正弦波形。而且改变电路中的门的个数，振荡周期不变，与理论分析和实物实验结果不同。

原因分析：造成振荡周期仿真错误的主要原因是仿真是理想情况下的仿真，仿真电路所使用的逻辑门完全相同，没有考虑各个门之间的差异和外界干扰等不定因素。每个门的输出端初始状态都为0，仿真开始时，经过1个传输延迟时间，则非门输出1。由于每个非门的初态都为0，所以每个门的变化都完全一样：每经过一个传输延迟时间，输出同时变成1，再经过一个传输延迟时间，输出又同时变为0，即同时变0，又同时变1，5个门的状态变换就是：000001111100000反复循环，每经过1个延迟时间，状态转换一次，所以此时振荡周期为20 ns，改变逻辑门的个数输出信号的振荡周期始终不变。

对电路进行改进，改进后电路图如图3所示。仿真时先把开关K接0，此时与非门和4个非门的输出状态依次为1，0，1，0，1，然后在把开关K接到1，开关接到1时，这时与非门就相当于非门，电路与图1相同。这时就可以用通常的分析方法进行分析，改变逻辑门的个数，振荡周期相应改变。电路改进后的波形如图4所示。

造成波形为方波的原因：仿真软件主要分析电路的逻辑状态，没有对电路过渡的暂态过程进行详细分析，部分效应或过程被忽略，比如电路中的电容、电感效应，导线的传输延迟等在仿真软件中都没有考虑。

2.2 Multisim 9仿真实验

EWB 5与Multisim 9相比，界面更美观，但器件少、功能都较少。EWB 5中同样的器件，其参数不能设置为不同，致使部分实验不能正常进行仿真。Multisim 9中同样的2个器件，仿真功能更强，可以设置不同的参数。门电路环形振荡器的Multisim仿真电路如图5所示。

用Multisim 9按图5所示进行仿真，3个逻辑门的传输延迟时间参数相同，均为默认的参数值，即tPLH=22 ns，tPHL=15 ns，则门逻辑门的传输延迟时间应该为18.5 ns，图5电路的振荡周期应该为111 ns。仿真输出的波形图如图6所示。

从图6可以看出，产生的振荡信号的周期约为110 ns，与理论分析相符。仿真结果与图1的结果不同是因为图1除了所述的问题外，EWB 5不考虑示波器对电路的影响，每个非门工作状态完全相同；图5考虑了示波器对电路的影响，图5电路第3个非门的输出端接有示波器，其负载与第1，2个非门的负载不同，会导致3个门工作状态不完全相同，导致不完全同步，就不会出现EWB 5中000001111100000反复循环变化现象，得到了正确的仿真结果。改变逻辑门的个数，振荡周期将会相应改变。如果将图5电路稍加改动，用示波器3踪同时观察，这时，三个非门的输入输出端接法相同（软件不考虑导线的影响），改变后的电路如图7所示，输出的波形如图8所示。

从图8可以看出，3踪信号完全同步，振荡周期约为38 ns，与前述000001111100000反复循环变化结果相同，而与实物实验结果不同。如果改变其中任何一个门的参数，例如将第一个门的tPHL由15 ns改为35 ns，这时3个门不完全相同，就不会出现EWB 5中000001111100000反复循环变化现象，此时三个门的传输延迟时间分别为18.5 ns,18.5 ns,28.5ns，振荡周期应该为131 ns，仿真输出的波形如图9所示。

从图9的波形可以看出，输出波形的周期与上述分析相同。综上所述，实际电路中同样的器件，其工作状态总存在差异，可看成不同的器件。但仿真电路中同样的器件如果设置相同的参数，器件模型相同，就当作相同的器件。仿真电路和实际电路的工作状态就可能不同，从而导致错误的仿真结果。

3 结 语

从上述仿真实验分析可以看出，数字电路中，电路的细微差别都可能导致完全不同的结果，在进行仿真实验时，很容易出现这个错误。在实物实验中，用同样的器件，但同样的器件其参数、性能不可能完全相同，还有电路中的电容效应、电感效应以及导线等因素的影响，都会导致同样的器件间存在差异。在对电路进行仿真时，就不能在用完全相同的模型来进行仿真，否则可能会得到错误的结果。在用其他软件或对其他电路进行仿真时，同样要注意这个问题，以免出错。

参 考 文 献

［1］阎石.数字电子技术基础\[M\].5版.北京：高等教育出版社,2006.

［2］王小海，蔡忠法.电子技术基础实验教程\[M\].北京：高等教育出版社,2005.

［3］施金鸿，陈光明.电子技术基础实验与综合实践教程\[M\].北京：北京航空航天大学出版社,2006.

［4］周宦银，房宗良，朱玲赞.导线中电传输速度的测量\[J\].仪器仪表学报，2006，27（增刊）：95-97.

［5］周宦银，吕子勇，马桂珍.EWB仿真软件中的几个错误\[J\].实验技术与管理, 2007,2

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。