胡潔

摘要：為了深入理解數(shù)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(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)軟件仿真輔助教學(xué)，可提高教學(xué)效果，并使學(xué)生逐步具備設(shè)計(jì)、改進(jìn)電子電路的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字集成電路;雙D觸發(fā)器;Multisim14.0

0 引言

在數(shù)字電子技術(shù)中，數(shù)字集成電路具有非常廣泛的用途。集成電路（IC），是基于半導(dǎo)體工藝把一定數(shù)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(shè)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(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類;按導(dǎo)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(shù)字集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，芯片種類繁多，使得數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)面臨著諸多困境：簡單例題的照搬，學(xué)生對(duì)集成電路的知識(shí)依然一知半解;想要深入學(xué)習(xí)芯片的功能，往往課時(shí)不夠。教學(xué)實(shí)踐表明，利用仿真技術(shù)輔助教學(xué)，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(tái)的一款仿真工具，可以方便的對(duì)各種電子電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和測試，電路分析功能強(qiáng)大^[3]。利用仿真技術(shù)，結(jié)合典型的應(yīng)用電路，將數(shù)字集成電路抽象的理論知識(shí)直觀地呈現(xiàn)出來，使學(xué)生能快速理解和應(yīng)用集成電路，提高教學(xué)效果。本文基于Multisim14.0軟件，通過仿真探究數(shù)字集成電路4013雙D觸發(fā)器的功能和應(yīng)用。

1 4013雙D觸發(fā)器的主要功能

觸發(fā)器是計(jì)數(shù)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(hào)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(gè)腳的封裝形式，內(nèi)部共封裝有兩個(gè)獨(dú)立的D觸發(fā)器，這兩個(gè)觸發(fā)器都為上升沿觸發(fā)，功能、參數(shù)完全一致。每個(gè)D觸發(fā)器有6個(gè)端子，4個(gè)控制，2個(gè)輸出，4個(gè)控制端分別為復(fù)位端RST、置位端SET、時(shí)鐘輸入端CLK、數(shù)據(jù)端D，Q和`Q為兩個(gè)互補(bǔ)輸出端。當(dāng)RST=SET=0時(shí)，在CLK端脈沖上升沿作用下，輸出Q=D;當(dāng)RST=1、SET=0時(shí)，輸出Q=0，此時(shí)稱為復(fù)位;當(dāng)RST=0、SET=1時(shí)，輸出Q=1，此時(shí)稱為置位;復(fù)位和置位都和CLK及D無關(guān)，且RST和SET不能同時(shí)為高電平。

根據(jù)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(gòu)成電路，功能較全，因而在數(shù)字電路中應(yīng)用非常廣泛。例如，可用4013雙D觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器、數(shù)據(jù)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(gòu)成的電路，簡單實(shí)用，性能穩(wěn)定。

以下通過實(shí)例，利用Multisim14.0仿真軟件，探究用4013雙D觸發(fā)器構(gòu)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(yīng)用。

2 4013雙D觸發(fā)器的應(yīng)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(gè)觸摸開關(guān)燈電路仿真示意圖。

由于CMOS集成電路的輸入端均為場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生的微弱感應(yīng)電壓就足以使電路翻轉(zhuǎn)。

電路結(jié)構(gòu)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(shí)和消除觸摸時(shí)的干擾和抖動(dòng)。電路輸入端第3腳所加的二極管D1為輸入端保護(hù)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(shù)信號(hào)發(fā)生器XFG1模擬仿真人體觸碰觸摸端產(chǎn)生感應(yīng)電壓的過程。其參數(shù)設(shè)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(hào)、輸出端Q1和輸出端Q2的波形。

運(yùn)行仿真軟件，仿真過程如下：

（1）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器XFG1輸入第一個(gè)高電平模擬人體用手觸摸4013的第3腳時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)。感應(yīng)信號(hào)送入CLK1端，觸發(fā)器1發(fā)生翻轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，Q2輸出高電平，經(jīng)過R2送入三極管V1的基極，V1導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器K1吸合，燈泡X1點(diǎn)亮，表明開關(guān)已經(jīng)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(dāng)電容電壓上升至1/2V_DD時(shí)，觸發(fā)器1復(fù)位，Q1輸出恢復(fù)為低電平，觸發(fā)器2的CLK2端（管腳11）也為低電平。C1經(jīng)過一段時(shí)間放電后，RST1（管腳4）恢復(fù)為低電平，觸發(fā)器1恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)，等待下次觸發(fā)。

（4）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器XFG1輸入第二個(gè)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(hào)，觸發(fā)器2再次翻轉(zhuǎn)，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(guān)燈完成一次開、關(guān)轉(zhuǎn)換過程。

點(diǎn)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(xiàn)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(gè)觸摸開關(guān)燈電路。

3 結(jié)論

在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中，D觸發(fā)器是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。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(yīng)用，探究了數(shù)字集成電路功能的機(jī)理，提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，也為學(xué)生下一步的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2]李金燦，邱廣萍.仿真軟件構(gòu)建“數(shù)字電子技術(shù)”課程立體教學(xué)[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（5）：46-48.

[3]黃培根，任清褒.Multisim10 計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.