基于Multisim14.0的雙D觸發(fā)器應用與仿真

胡潔

摘要：為了深入理解數字集成電路的功能，基于Multisim14.0軟件，通過仿真探究了4013雙D觸發(fā)器的工作方式和具體應用。利用計算機軟件仿真輔助教學，可提高教學效果，并使學生逐步具備設計、改進電子電路的能力。

關鍵詞：數字集成電路;雙D觸發(fā)器;Multisim14.0

0 引言

在數字電子技術中，數字集成電路具有非常廣泛的用途。集成電路（IC），是基于半導體工藝把一定數量的電阻器、電容器、晶體管等電子元件，以及這些元件之間的連線，集成在一起的具有特定功能的電路，也稱為芯片或微芯片。集成電路使電子設備的發(fā)展日趨微小型化、低功耗、智能化和高可靠性。集成電路按其功能、結構的不同，可以分為模擬集成電路和數字集成電路兩大類;按導電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路，例如，TTL類型和CMOS類型。

然而，數字集成電路內部結構復雜，芯片種類繁多，使得數字電子技術的教學面臨著諸多困境：簡單例題的照搬，學生對集成電路的知識依然一知半解;想要深入學習芯片的功能，往往課時不夠。教學實踐表明，利用仿真技術輔助教學，是突破這些困惑的有效手段^[1][2]。

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的基于Windows平臺的一款仿真工具，可以方便的對各種電子電路進行設計、仿真和測試，電路分析功能強大^[3]。利用仿真技術，結合典型的應用電路，將數字集成電路抽象的理論知識直觀地呈現出來，使學生能快速理解和應用集成電路，提高教學效果。本文基于Multisim14.0軟件，通過仿真探究數字集成電路4013雙D觸發(fā)器的功能和應用。

1 4013雙D觸發(fā)器的主要功能

觸發(fā)器是計數器、分頻器、移位寄存器等電路的基本單元電路之一，是這些電路的重要邏輯單元電路，在信號發(fā)生、波形變換、控制電路中也常常使用到觸發(fā)器，其中最常用的就有4013雙D觸發(fā)器。4013是一種CMOS集成電路，16個腳的封裝形式，內部共封裝有兩個獨立的D觸發(fā)器，這兩個觸發(fā)器都為上升沿觸發(fā)，功能、參數完全一致。每個D觸發(fā)器有6個端子，4個控制，2個輸出，4個控制端分別為復位端RST、置位端SET、時鐘輸入端CLK、數據端D，Q和`Q為兩個互補輸出端。當RST=SET=0時，在CLK端脈沖上升沿作用下，輸出Q=D;當RST=1、SET=0時，輸出Q=0，此時稱為復位;當RST=0、SET=1時，輸出Q=1，此時稱為置位;復位和置位都和CLK及D無關，且RST和SET不能同時為高電平。

根據其功能，4013雙D觸發(fā)器常與電阻器、電容器、二極管等元件連接構成電路，功能較全，因而在數字電路中應用非常廣泛。例如，可用4013雙D觸發(fā)器構成多諧振蕩器、數據鎖存器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、主從分相器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、同步脈寬變換器、脈沖鑒相器等。所構成的電路，簡單實用，性能穩(wěn)定。

以下通過實例，利用Multisim14.0仿真軟件，探究用4013雙D觸發(fā)器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的具體應用。

2 4013雙D觸發(fā)器的應用與仿真

圖1是利用Multisim14.0軟件，由4013雙D觸發(fā)器組成的一個觸摸開關燈電路仿真示意圖。

由于CMOS集成電路的輸入端均為場效應管結構，具有極高的輸入阻抗。因此4013觸發(fā)器的輸入端幾乎不消耗電流，只要用手觸摸，人體產生的微弱感應電壓就足以使電路翻轉。

電路結構如圖1所示，4013集成電路中的雙D觸發(fā)器1與R1、C1組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用來執(zhí)行延時和消除觸摸時的干擾和抖動。電路輸入端第3腳所加的二極管D1為輸入端保護二極管，用來泄放積累的電荷和過高的反向電壓。4013集成電路中的雙D觸發(fā)器2將`Q與D相連，接成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形式，用來控制繼電器K1的接通與斷開，從而控制燈泡X1的亮與滅。

電路的仿真過程中，用函數信號發(fā)生器XFG1模擬仿真人體觸碰觸摸端產生感應電壓的過程。其參數設置為頻率0.5Hz方波，占空比50%，振幅3Vp，偏置0V。四通道示波器XSC1的A、B、C通道用于分別顯示觸摸端輸入信號、輸出端Q1和輸出端Q2的波形。

運行仿真軟件，仿真過程如下：

（1）函數信號發(fā)生器XFG1輸入第一個高電平模擬人體用手觸摸4013的第3腳時產生的感應信號。感應信號送入CLK1端，觸發(fā)器1發(fā)生翻轉，Q1輸出高電平。

（2）Q1的高電平送入觸發(fā)器2的CLK2端，使觸發(fā)器2發(fā)生翻轉，Q2輸出高電平，經過R2送入三極管V1的基極，V1導通，驅動繼電器K1吸合，燈泡X1點亮，表明開關已經接通。

（3）Q1輸出的高電平另一路通過電阻R1向電容C1充電并連接至RST1端（管腳4），當電容電壓上升至1/2V_DD時，觸發(fā)器1復位，Q1輸出恢復為低電平，觸發(fā)器2的CLK2端（管腳11）也為低電平。C1經過一段時間放電后，RST1（管腳4）恢復為低電平，觸發(fā)器1恢復為穩(wěn)態(tài)，等待下次觸發(fā)。

（4）函數信號發(fā)生器XFG1輸入第二個高電平模擬人體用手再次觸碰觸摸端，觸發(fā)器1再次被觸發(fā)。由于觸發(fā)器2是雙穩(wěn)態(tài)工作方式，觸發(fā)器2的CLK2端（管腳11）將再次輸入高電平信號，觸發(fā)器2再次翻轉，Q2（管腳13）變?yōu)榈碗娖?，三極管V1截止，繼電器K1斷開，燈泡X1熄滅。觸摸開關燈完成一次開、關轉換過程。

點擊示波器XSC1，可直觀地觀察到仿真過程的波形圖如圖2所示。

仿真現象和波形圖表明，4013雙D觸發(fā)器1為單穩(wěn)態(tài)工作方式，觸發(fā)器2為雙穩(wěn)態(tài)工作方式，共同組成了一個觸摸開關燈電路。

3 結論

在數字電子技術教學中，D觸發(fā)器是學習的重點。本文基于Multisim14.0軟件，仿真了4013雙D觸發(fā)器的工作模式和具體應用，探究了數字集成電路功能的機理，提高了學生動手實踐的能力，也為學生下一步的課程設計和畢業(yè)設計打下良好的基礎。

參考文獻

[1]張繼，儲開斌，張小芳.基于 Multisim 的電子技術課程設計[J].實驗室科學，2018（1）：60-63.

[2]李金燦，邱廣萍.仿真軟件構建“數字電子技術”課程立體教學[J].遼寧科技學院學報，2017（5）：46-48.

[3]黃培根，任清褒.Multisim10 計算機虛擬仿真實驗室[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.