劉婷婷

摘要：本文闡述了在數(shù)字電路課程教學(xué)中，運(yùn)用 Proteus 仿真軟件對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試的教學(xué)實(shí)例。運(yùn)用該軟件可以節(jié)省電子元器件的消耗，同時(shí)填補(bǔ)了儀器缺發(fā)的缺點(diǎn)，縮短了電路設(shè)計(jì)制作過(guò)程中的調(diào)試時(shí)間，教學(xué)效果得到明顯改善。

關(guān)鍵詞：Proteus仿真軟件；555時(shí)基電路；D觸發(fā)器；編碼器；譯碼器

一、引言

數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)是電子專業(yè)類脈沖與數(shù)字電路課程的一個(gè)綜合運(yùn)用，遵循中職“做中學(xué)、做中教，理實(shí)一體化”的指導(dǎo)思想，在這門(mén)課程的教學(xué)過(guò)程中，筆者采用了搶答器的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行這門(mén)課程的課程設(shè)計(jì)，通過(guò)完成這個(gè)課程設(shè)計(jì)來(lái)提高學(xué)生的知識(shí)整合能力。因此，我們需要一種形式多樣、色彩豐富、能滿足學(xué)生動(dòng)手欲望的教學(xué)方式，在教學(xué)中筆者引入了仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)。通過(guò)仿真，學(xué)生不僅整合了脈沖與數(shù)字電路知識(shí)，也提高了自己分析電路故障、了解電路工作原理的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供了有力的保證。

二、PROTEUS仿真軟件的介紹

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，催生了多種應(yīng)用于電子電路設(shè)計(jì)的仿真軟件，Proteus軟件就是其中很成功的一種。該仿真軟件具有以下功能特點(diǎn)：

（一）組成。

包括ISIS、ARES 等模塊，ARES 模塊主要用來(lái)完成PCB的設(shè)計(jì)，而ISIS 模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成系統(tǒng)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤(pán)和LCD系統(tǒng)仿真等功能；帶有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。

（二）功能。

Protues可以實(shí)現(xiàn)原理圖的捕獲、電路分析、交互式仿真、電路板設(shè)計(jì)、仿真測(cè)試、射頻分析、單片機(jī)等高級(jí)應(yīng)用。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，更多的是使用 Proteus ISIS 模塊完成數(shù)字電路中原理圖的繪制與仿真。是因?yàn)樗哂幸韵聝纱蠊δ芴攸c(diǎn)：

（1）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。它有著直觀的操作界面，能方便快捷調(diào)整電路參數(shù)，Proteus能模擬真實(shí)的電路板在通電后工作情況是否正常，并且可以方便快捷的修改電路設(shè)計(jì)及參數(shù)及對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)可以看到修改參數(shù)后的效果。它有著豐富的元器件庫(kù)、豐富的測(cè)試儀器儀表、完備的分析手段、強(qiáng)大的仿真能力、完美的兼容能力，Proteus 能提供數(shù)量龐大的電子元件（分立元件和集成電路、模擬和數(shù)字電路）的電路符號(hào)、仿真模型和外形封裝?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和spice分析于一體的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。

（2）提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)支持第三方軟件繪編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil 51 uVisiin2等軟件。

Proteus VSM 的核心是 ProSPICE，這種仿真系統(tǒng)組合了 SPICE3f5 模擬仿真器核和基于快速事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)字仿真器。它主要的特點(diǎn)是能把微處理器軟件作用在處理器上并和連接該微處理器的任何模擬和數(shù)字器件協(xié)同仿真。SPICE 內(nèi)核的使用使用戶能采用 數(shù)目眾多的供應(yīng)廠商提供的SPICE 模型，它界面易學(xué)，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強(qiáng)大的功能。這特點(diǎn)針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為有利。

三、用PROTEUS仿真軟件進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例

筆者在課程中引用仿真軟件進(jìn)行這一課程綜合設(shè)計(jì)。下面以項(xiàng)目“四路搶答器”的 Proteus 仿真設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行這個(gè)課程設(shè)計(jì)。四路搶答器在PROTEUS7.8環(huán)境下設(shè)計(jì)并仿真，設(shè)計(jì)電路如圖1所示。

該電路包括四個(gè)部分：振蕩電路、觸發(fā)鎖存電路、編碼電路及譯碼顯示電路。電路由NE555、4D觸發(fā)器74LS175、4個(gè)搶答按鍵、4輸入或非門(mén)74LS20、2輸入與非門(mén)74LS00、CD4532編碼電路、74LS47譯碼顯示電路、1個(gè)清零復(fù)位按鍵和4個(gè)發(fā)光二極管、一個(gè)共陰極數(shù)碼管組成。搶答開(kāi)始前，主持人按動(dòng)“復(fù)位”鍵清零復(fù)位，作好搶答準(zhǔn)備，搶答隊(duì)員開(kāi)始搶答。若“SB1”鍵按下，對(duì)應(yīng)的指示燈LED1點(diǎn)亮，同時(shí)數(shù)碼管顯示“1”，此時(shí)，其它按鍵按下，均不改變顯示狀態(tài)，維持LED1燈亮，1隊(duì)回答完問(wèn)題后，開(kāi)始下一題搶答前，主持人必須按動(dòng)“復(fù)位”健清零。

圖1四路搶答整機(jī)仿真電路圖

（一）單元電路的設(shè)計(jì)及元器件的選擇。

1.555振蕩電路。電路如圖2所示，采用一塊NE555及電阻、電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，它的周期由圖中R10、R11以及C1的參數(shù)大小決定，它們的關(guān)系是T=0.7（R10+2R11）C。這個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)3腳輸出送到與非門(mén)7400的4腳，經(jīng)6腳送到4D觸發(fā)器的圖2555振蕩電路仿真CLK觸發(fā)端。由于74LS175是D觸發(fā)器，需要時(shí)鐘脈沖的上升沿觸發(fā)，所以電路中使用一片7400，使時(shí)序滿足觸發(fā)器的要求。從圖2的仿真中可以看出輸出信號(hào)的頻率是14Hz。該設(shè)計(jì)中取R10及R11的值為1KΩ，電容C1的電容量是33μF，經(jīng)計(jì)算周期大約是69ms，頻率是14.4Hz，與仿真得到的數(shù)值基本一致。該電路為搶答鎖存電路提供一個(gè)上升沿觸發(fā)信號(hào)。

2.搶答及鎖存電路。

（1）搶答準(zhǔn)備。搶答及鎖存電路采用D觸發(fā)器74175、4輸入與非門(mén)7420、2輸入與非門(mén)7400構(gòu)成。接通電源時(shí)，輸入狀態(tài)為零，輸出顯示為零，但由于觸發(fā)器在電源接通瞬間，輸出狀態(tài)有不確定因素（由于本設(shè)計(jì)無(wú)開(kāi)機(jī)復(fù)位電路），所以，在搶答前，主持人必須按一下“復(fù)位”鍵清零，作好搶答前的準(zhǔn)備。在沒(méi)有按下?lián)尨鸢存I的情況下，D觸發(fā)器輸入全部為零，此時(shí)無(wú)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，D觸發(fā)器仍保持原“0”狀態(tài)。

（2）搶答按鍵。四個(gè)隊(duì)分別控制四個(gè)搶答按鍵，對(duì)某一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行搶答時(shí)，其中一個(gè)隊(duì)按下按鍵，如“SB1”鍵，D觸發(fā)器4腳輸入為“1”電平，對(duì)應(yīng)輸出2腳為“1”電平，而與其對(duì)應(yīng)的反相輸出3腳為“0”電平，為對(duì)應(yīng)的指示及鎖存作好了準(zhǔn)備。

（3）邏輯電路。555振蕩電路為D觸發(fā)器提供一時(shí)鐘脈沖的上升沿觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)某一按鍵如“SB1”鍵按下，3腳“0”信號(hào)加入U(xiǎn)2A的一個(gè)輸入端，其輸出“1”，經(jīng)U3A輸出“0”，封鎖了上升沿觸發(fā)信號(hào)，也就封鎖了其它選手的搶答按鍵，即使此時(shí)有鍵按下，對(duì)D觸發(fā)器沒(méi)有影響，不能改變輸出指示狀態(tài)。電路如圖3所示。

3.編碼電路。

在此電路中采用編碼器CD4532來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是八——三編碼器，電路如圖4所示。輸入高電平有效，即在輸入數(shù)據(jù)端出現(xiàn)高電平時(shí)進(jìn)行編碼。因?yàn)殡娐分皇遣捎昧怂穆愤M(jìn)行搶答，所以在此設(shè)計(jì)中只采用D1到D4這四個(gè)輸入，其余沒(méi)有用到的四個(gè)輸入端做了接地處理，不能空著也不能接高電平。如果選手按了“SB1”按鈕，相應(yīng)的發(fā)光二極管LED1亮，同時(shí)CD4532的D1端（11腳）為“1”電平，對(duì)應(yīng)Q2Q1Q0輸出為“001”。

圖3搶答及鎖存電路仿真

圖4CD4532編碼電路

CD4532編碼的原理如表1所示：

表1CD4532邏輯功能真值表

4.譯碼及顯示電路。電路采用譯碼器74247及共陽(yáng)數(shù)碼管構(gòu)成，電路如圖5所示。把編碼器的Q2Q1Q0分別與譯碼器74247的CBA相接，因?yàn)楸倦娐分皇怯玫剿慕M搶答，顯示的數(shù)字只是“1、2、3、4”，對(duì)應(yīng)的編制碼是“0001、0010、0011、0100”，所以高位“D”接地，74247是低電平輸出有效，它的邏輯功能如表2所示。

表274247邏輯功能真值表

圖5七段譯碼與顯示仿真電器

（二）電路的仿真。

1.新建設(shè)計(jì)文件。打開(kāi)Proteus ISIS工作界面，選擇菜單“文件”——“新建設(shè)計(jì)”命令，彈出選擇模板窗口，從中選擇“DEFAULT”模板，單擊“確定”按鈕。這樣一個(gè)新的設(shè)計(jì)文件就建立起來(lái)了。

2.元件選擇。在畫(huà)原理圖之前，應(yīng)將電路圖中所用元件從庫(kù)中選擇出來(lái)從庫(kù)中選擇元件時(shí)，可輸入所需元件的全稱或部分名稱，元件拾取窗口可以進(jìn)行快速查詢。本設(shè)計(jì)要用到的器件有：元件中的555定時(shí)器、電阻 Resistor、地線 GROUND、電容 CAP、七段數(shù)碼顯示器、顯示譯碼器74247、與非門(mén) 7400、7420、按鈕、發(fā)光二極管。在模型選擇工具欄中選元件（默認(rèn)），單擊 P 按鈕，出現(xiàn)挑選元件窗口，篩選出所需器件，雙擊將其放入元件列表中。

3.放置元件。（1）元件的放置。在元件列表中左鍵選取某元件，在原理圖編輯窗口中單擊左鍵，該元件就到原理圖編輯窗口中，同樣放置其他各元件。用鼠標(biāo)右鍵單擊元件會(huì)出現(xiàn)該元件的快捷菜單，此快捷菜單中有移動(dòng)、以各種方式旋轉(zhuǎn)和刪除命令。

（2）電源和地的放置。單擊元件工具箱中的終端按鈕圖標(biāo)：則在對(duì)象選擇器中顯示各種終端，從中挑選出地 GROUND，電源POWER，并在原理圖編輯窗口中左擊放置到原理圖編輯窗口中。

（3）連線。將光標(biāo)靠近一個(gè)對(duì)象的引腳末端，該處將自動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)紅色小方塊，單擊鼠標(biāo)左鍵，拖動(dòng)鼠標(biāo)，放在另一個(gè)對(duì)象的引腳末端，該處再出現(xiàn)一個(gè)紅色小方塊，再單擊鼠標(biāo)左鍵，就可以在兩個(gè)引腳間畫(huà)出一根線來(lái)，如果需要拐彎，則只需要拐彎處單擊一下鼠標(biāo)左鍵即可。

4.仿真運(yùn)行。電路原理圖畫(huà)好并檢查通過(guò)后，就可以仿真運(yùn)行，仿真電路圖如圖1所示。仿真時(shí)，元件引腳上的紅色代表高電平，蘭色代表低電平，灰色代表懸空。電路中555定時(shí)器提供秒脈沖信號(hào)，其參數(shù)要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試才能滿足設(shè)計(jì)要求。采用 Proteus 軟件仿真的方法體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

四、結(jié)語(yǔ)

從上述課程設(shè)計(jì)可以看出，引入仿真技術(shù)之后，真正把課堂還給了學(xué)生，學(xué)生成了教學(xué)活動(dòng)的主角，整個(gè)教學(xué)活動(dòng)是學(xué)生在教師引導(dǎo)下的實(shí)踐、總結(jié)、分析、討論，沉悶的課堂變得生動(dòng)，學(xué)生的動(dòng)手欲望得到了滿足，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情被充分的調(diào)動(dòng)起來(lái)。他們對(duì)知識(shí)有了較為全面的整合，分析電路故障的能力也有了極大的提高。

同時(shí)，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提供了大量的虛擬儀器和虛擬電子元件供學(xué)生使用，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性，在數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)中起到了極其重要的作用。

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責(zé)任編輯朱守鋰