基于Multisim14.0的双D触发器应用与仿真

胡洁

摘要：为了深入理解数字集成电路的功能，基于Multisim14.0软件，通过仿真探究了4013双D触发器的工作方式和具体应用。利用计算机软件仿真辅助教学，可提高教学效果，并使学生逐步具备设计、改进电子电路的能力。

关键词：数字集成电路;双D触发器;Multisim14.0

0 引言

在数字电子技术中，数字集成电路具有非常广泛的用途。集成电路（IC），是基于半导体工艺把一定数量的电阻器、电容器、晶体管等电子元件，以及这些元件之间的连线，集成在一起的具有特定功能的电路，也称为芯片或微芯片。集成电路使电子设备的发展日趋微小型化、低功耗、智能化和高可靠性。集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类;按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，例如，TTL类型和CMOS类型。

然而，数字集成电路内部结构复杂，芯片种类繁多，使得数字电子技术的教学面临着诸多困境：简单例题的照搬，学生对集成电路的知识依然一知半解;想要深入学习芯片的功能，往往课时不够。教学实践表明，利用仿真技术辅助教学，是突破这些困惑的有效手段^[1][2]。

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的基于Windows平台的一款仿真工具，可以方便的对各种电子电路进行设计、仿真和测试，电路分析功能强大^[3]。利用仿真技术，结合典型的应用电路，将数字集成电路抽象的理论知识直观地呈现出来，使学生能快速理解和应用集成电路，提高教学效果。本文基于Multisim14.0软件，通过仿真探究数字集成电路4013双D触发器的功能和应用。

1 4013双D触发器的主要功能

触发器是计数器、分频器、移位寄存器等电路的基本单元电路之一，是这些电路的重要逻辑单元电路，在信号发生、波形变换、控制电路中也常常使用到触发器，其中最常用的就有4013双D触发器。4013是一种CMOS集成电路，16个脚的封装形式，内部共封装有两个独立的D触发器，这两个触发器都为上升沿触发，功能、参数完全一致。每个D触发器有6个端子，4个控制，2个输出，4个控制端分别为复位端RST、置位端SET、时钟输入端CLK、数据端D，Q和`Q为两个互补输出端。当RST=SET=0时，在CLK端脉冲上升沿作用下，输出Q=D;当RST=1、SET=0时，输出Q=0，此时称为复位;当RST=0、SET=1时，输出Q=1，此时称为置位;复位和置位都和CLK及D无关，且RST和SET不能同时为高电平。

根据其功能，4013双D触发器常与电阻器、电容器、二极管等元件连接构成电路，功能较全，因而在数字电路中应用非常广泛。例如，可用4013双D触发器构成多谐振荡器、数据锁存器、单稳态触发器、主从分相器、双稳态触发器、同步脉宽变换器、脉冲鉴相器等。所构成的电路，简单实用，性能稳定。

以下通过实例，利用Multisim14.0仿真软件，探究用4013双D触发器构成单稳态触发器和双稳态触发器电路的具体应用。

2 4013双D触发器的应用与仿真

图1是利用Multisim14.0软件，由4013双D触发器组成的一个触摸开关灯电路仿真示意图。

由于CMOS集成电路的输入端均为场效应管结构，具有极高的输入阻抗。因此4013触发器的输入端几乎不消耗电流，只要用手触摸，人体产生的微弱感应电压就足以使电路翻转。

电路结构如图1所示，4013集成电路中的双D触发器1与R1、C1组成单稳态触发器，用来执行延时和消除触摸时的干扰和抖动。电路输入端第3脚所加的二极管D1为输入端保护二极管，用来泄放积累的电荷和过高的反向电压。4013集成电路中的双D触发器2将`Q与D相连，接成双稳态触发器形式，用来控制继电器K1的接通与断开，从而控制灯泡X1的亮与灭。

电路的仿真过程中，用函数信号发生器XFG1模拟仿真人体触碰触摸端产生感应电压的过程。其参数设置为频率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通道用于分别显示触摸端输入信号、输出端Q1和输出端Q2的波形。

运行仿真软件，仿真过程如下：

（1）函数信号发生器XFG1输入第一个高电平模拟人体用手触摸4013的第3脚时产生的感应信号。感应信号送入CLK1端，触发器1发生翻转，Q1输出高电平。

（2）Q1的高电平送入触发器2的CLK2端，使触发器2发生翻转，Q2输出高电平，经过R2送入三极管V1的基极，V1导通，驱动继电器K1吸合，灯泡X1点亮，表明开关已经接通。

（3）Q1输出的高电平另一路通过电阻R1向电容C1充电并连接至RST1端（管脚4），当电容电压上升至1/2V_DD时，触发器1复位，Q1输出恢复为低电平，触发器2的CLK2端（管脚11）也为低电平。C1经过一段时间放电后，RST1（管脚4）恢复为低电平，触发器1恢复为稳态，等待下次触发。

（4）函数信号发生器XFG1输入第二个高电平模拟人体用手再次触碰触摸端，触发器1再次被触发。由于触发器2是双稳态工作方式，触发器2的CLK2端（管脚11）将再次输入高电平信号，触发器2再次翻转，Q2（管脚13）变为低电平，三极管V1截止，继电器K1断开，灯泡X1熄灭。触摸开关灯完成一次开、关转换过程。

点击示波器XSC1，可直观地观察到仿真过程的波形图如图2所示。

仿真现象和波形图表明，4013双D触发器1为单稳态工作方式，触发器2為双稳态工作方式，共同组成了一个触摸开关灯电路。

3 结论

在数字电子技术教学中，D触发器是学习的重点。本文基于Multisim14.0软件，仿真了4013双D触发器的工作模式和具体应用，探究了数字集成电路功能的机理，提高了学生动手实践的能力，也为学生下一步的课程设计和毕业设计打下良好的基础。

参考文献

[1]张继，储开斌，张小芳.基于 Multisim 的电子技术课程设计[J].实验室科学，2018（1）：60-63.

[2]李金灿，邱广萍.仿真软件构建“数字电子技术”课程立体教学[J].辽宁科技学院学报，2017（5）：46-48.

[3]黄培根，任清褒.Multisim10 计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.