Proteus仿真軟件在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用

[摘要]Proteus軟件可以在普通計(jì)算機(jī)上采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建各種虛擬試驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本文以自行車測速儀數(shù)字電路的設(shè)計(jì)為例討論了Proteus仿真軟件在數(shù)字電路教學(xué)中的優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]Proteus 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 自行車測速儀 數(shù)字電路教學(xué)

1.引言

在數(shù)字電子技術(shù)的理論教學(xué)中應(yīng)用Proteus仿真軟件快速分析數(shù)字電路的性能參數(shù)，與理論結(jié)果進(jìn)行對比，讓抽象的理論及時(shí)得到檢驗(yàn)，給學(xué)生更為直觀的認(rèn)識，可以大大提高教學(xué)效果。同時(shí)，仿真還可以直觀顯示數(shù)字電路工作時(shí)的實(shí)際效果，幫助學(xué)生理解和分析復(fù)雜的數(shù)字電路。虛擬試驗(yàn)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比有著成本低、功能全、效率高的優(yōu)點(diǎn)，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

2.測速儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理圖

電路由基準(zhǔn)脈沖電路、霍爾測速電路、計(jì)數(shù)電路、寄存器電路、譯碼器電路和顯示器電路構(gòu)成，用Proteus軟件畫出的測速儀硬件電路原理圖如圖1所示。

2.2 設(shè)計(jì)原理分析

2.2.1 基準(zhǔn)脈沖電路

基準(zhǔn)脈沖電路由NE555芯片、電阻R₁和R₂、電容C₁和C₂組成的多諧振蕩器構(gòu)成。通過選擇電容C₂的容值和電阻R₁、R₂的阻值使得輸出矩形波的規(guī)律為：高電平的維持時(shí)間為1秒鐘，低電平的維持時(shí)間為0.5秒鐘。通過輸出矩形波的高低電平?jīng)Q定寄存電路是否運(yùn)轉(zhuǎn)，并計(jì)算1秒中內(nèi)車輪所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。

2.2.2 霍爾電路

霍爾電路利用霍爾原件在磁場中的霍爾效應(yīng)產(chǎn)生矩形波，并且該電路的輸出端與74LS160的clk端口相連。

2.2.3 計(jì)數(shù)電路

計(jì)數(shù)電路由74LS160芯片組成。霍爾電路輸出的矩形波作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)量。將兩片74LS160的置數(shù)端都接地。74LS160(1)芯片為低位計(jì)數(shù)芯片，只有當(dāng)?shù)臀挥?jì)數(shù)器計(jì)數(shù)超過9時(shí)，74LS160進(jìn)位輸出端口(RCO)輸出高電平時(shí)，74LS160(2)才開始計(jì)數(shù)。由計(jì)數(shù)器的相關(guān)原理可知計(jì)數(shù)器74hS160(1)跳動(dòng)十次，計(jì)數(shù)器74LS160(2)才跳動(dòng)一次。這樣該電路就成為一個(gè)一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)電路。

2.2.4 寄存器電路

寄存電路由74LS175芯片組成，當(dāng)芯片在接收到74LS160的計(jì)數(shù)結(jié)果后，并且在基準(zhǔn)脈沖電路通過與非門的轉(zhuǎn)換輸出低電平時(shí)，寄存器才開始工作。寄存器的輸出能夠隨輸入端的改變而改變，即輸出為所轉(zhuǎn)換成的相應(yīng)轉(zhuǎn)速信號。當(dāng)基準(zhǔn)脈沖電路輸出為低電平時(shí)，在與非門的作用下將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑拇嫫髌鹩洃浀墓δ埽４孑敵龅男盘枴Ｖ挥挟?dāng)下一個(gè)低電平輸入到clk端口時(shí)，寄存器的輸出信號才改變，在低電平到來之前輸出始終為前一個(gè)階段所保存的輸出信號。

2.2.5 譯碼電路

譯碼電路由74LS48組成。該芯片將寄存器輸出的信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼的信號，高位與低位分別處理。

2.2.6 顯示器電路

顯示器電路由74SE-COM-CATHODE芯片組成，該電路將譯碼電路輸出的二進(jìn)制段選信號在排阻的限流作用下驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光顯示所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)碼。顯示出來的十進(jìn)制數(shù)據(jù)源為在前一秒內(nèi)車輪的轉(zhuǎn)速，并且在寄存電路的作用下能夠保持0.5秒，這樣能夠使騎車人看清楚所顯示的轉(zhuǎn)速。

3.測速儀仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 仿真步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1繪制車速電路原理圖

打開Proteus軟件，添加元件，編輯元件屬性，連接好各個(gè)引腳，最后如圖1所示。

3.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.2.1 由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器模塊仿真

電路設(shè)計(jì)為輸出高電平為1秒，低電平為0.5秒，但考慮到選取元件的標(biāo)稱值，有少許允許誤差，用示波器仿真結(jié)果如圖2所示。

3.2.2.2 計(jì)數(shù)器模塊仿真

試給周期為100 ms的脈沖信號，在計(jì)數(shù)器的復(fù)位端為高電平時(shí)，開始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器輸出的Q₀、Q₁、Q₂、Q₃信號分別為邏輯分析儀的A₀、A₁、A₂、A₃信號，其波形如圖3所示。

3.2.2.3 顯示模塊仿真

試給周期為100ms的脈沖信號，在高電平為1秒內(nèi)計(jì)數(shù)器應(yīng)該是10個(gè)，考慮到試給信號和多諧振蕩器的信號起始時(shí)間處不一定都是高電平，有一定的誤差。如圖3在一個(gè)高電平內(nèi)的最終計(jì)數(shù)值為1001，應(yīng)該顯示數(shù)字9，通過按仿真按鈕，圖1仿真模型的數(shù)碼管中顯示出了穩(wěn)定的數(shù)字9，其仿真結(jié)果和預(yù)期相同。改變試給信號的頻率，在高電平內(nèi)的對應(yīng)數(shù)字也正確顯示在了數(shù)碼管中。

4.硬件實(shí)物調(diào)試

4.1 通電觀察

通電后不要急于測量電氣指標(biāo)，而要觀察電路有無異常現(xiàn)象，例如有無冒煙現(xiàn)象，有無異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異常現(xiàn)象，應(yīng)立即斷電。待排除故障后再通電。

4.2 靜態(tài)調(diào)試

4.2.1 電源電路的調(diào)試

檢查電源供電極性和信號源連線是否正確。在通電前，斷開一根電源線，用萬用表檢查電源端對地(上)是否存在短路現(xiàn)象。

4 2.2 基準(zhǔn)脈沖電路的調(diào)試

在不加輸入信號或只加固定電平信號的條件下進(jìn)行直流測試，用萬用表測出電路中各點(diǎn)的電位，通過和理論估算值比較，結(jié)合電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常。然后用示波器測試NE555定時(shí)器的輸出端，看其是否產(chǎn)生周期性高低電平的矩形波，且此矩形波的規(guī)律為高電平的，維持時(shí)間為1秒鐘，低電平的維持時(shí)間為0.5秒鐘。

4.2.3 霍爾測速電路的調(diào)試

將霍爾元件安裝在被測自行車上，通過示波器測試其輸出波形是否能夠與后續(xù)電路相匹配，主要對其高低電平的幅值及響應(yīng)頻率進(jìn)行調(diào)試。

4.2.4 計(jì)數(shù)電路的調(diào)試

霍爾電路輸出的矩形波作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)量，用示波器逐個(gè)測試計(jì)數(shù)器的輸出端，通過對其波形的分析，確定其是否正常工作并實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的功能。

4.2.5 寄存電路的調(diào)試

當(dāng)基準(zhǔn)脈沖電路輸出為低電平時(shí)，在與非門的作用下將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑拇嫫髌鹩洃浀墓δ埽４孑敵龅男盘枴Ｖ挥挟?dāng)下一個(gè)低電平輸入到clk端口時(shí)，寄存器的輸出信號才改變，在低電平到來之前輸出始終為前一個(gè)階段所保存的輸出信號。測試方法與計(jì)數(shù)器的測試基本相同。

4.3 動(dòng)態(tài)調(diào)試

在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在電路的輸入端加合適的信號，觀察數(shù)碼管的顯示是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果，若發(fā)現(xiàn)顯示不正常，應(yīng)分析其原因，并排除故障，再進(jìn)行調(diào)試，直到滿足要求為止。把示波器的信號輸入方式置于“DC”檔，通過直流耦合方式，同時(shí)觀察被測信號的交、直流成分。通過調(diào)試，最后檢查功能塊和整機(jī)的各種指標(biāo)(如信號的幅值、波形形狀、相位關(guān)系、增益、輸入阻抗和輸出阻抗等)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如必要，再進(jìn)一步對電路參數(shù)提出合理的修正。

5.小結(jié)

通過仿真實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)物調(diào)試實(shí)驗(yàn)的對比，我們發(fā)現(xiàn)，基于Proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)完全可以達(dá)到真實(shí)試驗(yàn)的效果，而且操作方便、快捷，可以使學(xué)生在輕松的實(shí)驗(yàn)過程中加深對數(shù)字電路理論知識的理解，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。由此我們得出結(jié)論，該教學(xué)方法非常適合在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中大力推廣和應(yīng)用。