用Proteus 仿真軟件進行數字電路課程設計

劉婷婷

摘要：本文闡述了在數字電路課程教學中，運用 Proteus 仿真軟件對數字電路進行仿真設計與調試的教學實例。運用該軟件可以節(jié)省電子元器件的消耗，同時填補了儀器缺發(fā)的缺點，縮短了電路設計制作過程中的調試時間，教學效果得到明顯改善。

關鍵詞：Proteus仿真軟件；555時基電路；D觸發(fā)器；編碼器；譯碼器

一、引言

數字電路課程設計是電子專業(yè)類脈沖與數字電路課程的一個綜合運用，遵循中職“做中學、做中教，理實一體化”的指導思想，在這門課程的教學過程中，筆者采用了搶答器的設計來進行這門課程的課程設計，通過完成這個課程設計來提高學生的知識整合能力。因此，我們需要一種形式多樣、色彩豐富、能滿足學生動手欲望的教學方式，在教學中筆者引入了仿真技術進行教學。通過仿真，學生不僅整合了脈沖與數字電路知識，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)課程的學習提供了有力的保證。

二、PROTEUS仿真軟件的介紹

現(xiàn)代計算機應用技術的高速發(fā)展，催生了多種應用于電子電路設計的仿真軟件，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：

（一）組成。

包括ISIS、ARES 等模塊，ARES 模塊主要用來完成PCB的設計，而ISIS 模塊用來完成電路原理圖的布圖與仿真。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成系統(tǒng)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和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、信號發(fā)生器等。

（二）功能。

Protues可以實現(xiàn)原理圖的捕獲、電路分析、交互式仿真、電路板設計、仿真測試、射頻分析、單片機等高級應用。我們在實際應用中，更多的是使用 Proteus ISIS 模塊完成數字電路中原理圖的繪制與仿真。是因為它具有以下兩大功能特點：

（1）具有強大的原理圖繪制功能。它有著直觀的操作界面，能方便快捷調整電路參數，Proteus能模擬真實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計及參數及對電路進行調試，同時可以看到修改參數后的效果。它有著豐富的元器件庫、豐富的測試儀器儀表、完備的分析手段、強大的仿真能力、完美的兼容能力，Proteus 能提供數量龐大的電子元件（分立元件和集成電路、模擬和數字電路）的電路符號、仿真模型和外形封裝。總之，該軟件是一款集單片機和spice分析于一體的仿真軟件，功能極其強大。

（2）提供軟件調試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)。同時支持第三方軟件繪編譯和調試環(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動的數字仿真器。它主要的特點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字器件協(xié)同仿真。SPICE 內核的使用使用戶能采用 數目眾多的供應廠商提供的SPICE 模型，它界面易學，在調試程序、軟件仿真方面有很強大的功能。這特點針對單片機系統(tǒng)設計極為有利。

三、用PROTEUS仿真軟件進行課程設計的應用實例

筆者在課程中引用仿真軟件進行這一課程綜合設計。下面以項目“四路搶答器”的 Proteus 仿真設計來進行這個課程設計。四路搶答器在PROTEUS7.8環(huán)境下設計并仿真，設計電路如圖1所示。

該電路包括四個部分：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個搶答按鍵、4輸入或非門74LS20、2輸入與非門74LS00、CD4532編碼電路、74LS47譯碼顯示電路、1個清零復位按鍵和4個發(fā)光二極管、一個共陰極數碼管組成。搶答開始前，主持人按動“復位”鍵清零復位，作好搶答準備，搶答隊員開始搶答。若“SB1”鍵按下，對應的指示燈LED1點亮，同時數碼管顯示“1”，此時，其它按鍵按下，均不改變顯示狀態(tài)，維持LED1燈亮，1隊回答完問題后，開始下一題搶答前，主持人必須按動“復位”健清零。

圖1四路搶答整機仿真電路圖

（一）單元電路的設計及元器件的選擇。

1.555振蕩電路。電路如圖2所示，采用一塊NE555及電阻、電容來實現(xiàn)，它的周期由圖中R10、R11以及C1的參數大小決定，它們的關系是T=0.7（R10+2R11）C。這個脈沖信號經3腳輸出送到與非門7400的4腳，經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，需要時鐘脈沖的上升沿觸發(fā)，所以電路中使用一片7400，使時序滿足觸發(fā)器的要求。從圖2的仿真中可以看出輸出信號的頻率是14Hz。該設計中取R10及R11的值為1KΩ，電容C1的電容量是33μF，經計算周期大約是69ms，頻率是14.4Hz，與仿真得到的數值基本一致。該電路為搶答鎖存電路提供一個上升沿觸發(fā)信號。

2.搶答及鎖存電路。

（1）搶答準備。搶答及鎖存電路采用D觸發(fā)器74175、4輸入與非門7420、2輸入與非門7400構成。接通電源時，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（由于本設計無開機復位電路），所以，在搶答前，主持人必須按一下“復位”鍵清零，作好搶答前的準備。在沒有按下?lián)尨鸢存I的情況下，D觸發(fā)器輸入全部為零，此時無時鐘脈沖信號，D觸發(fā)器仍保持原“0”狀態(tài)。

（2）搶答按鍵。四個隊分別控制四個搶答按鍵，對某一個問題進行搶答時，其中一個隊按下按鍵，如“SB1”鍵，D觸發(fā)器4腳輸入為“1”電平，對應輸出2腳為“1”電平，而與其對應的反相輸出3腳為“0”電平，為對應的指示及鎖存作好了準備。

（3）邏輯電路。555振蕩電路為D觸發(fā)器提供一時鐘脈沖的上升沿觸發(fā)信號。當某一按鍵如“SB1”鍵按下，3腳“0”信號加入U2A的一個輸入端，其輸出“1”，經U3A輸出“0”，封鎖了上升沿觸發(fā)信號，也就封鎖了其它選手的搶答按鍵，即使此時有鍵按下，對D觸發(fā)器沒有影響，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來實現(xiàn)，這是八——三編碼器，電路如圖4所示。輸入高電平有效，即在輸入數據端出現(xiàn)高電平時進行編碼。因為電路只是采用了四路進行搶答，所以在此設計中只采用D1到D4這四個輸入，其余沒有用到的四個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，相應的發(fā)光二極管LED1亮，同時CD4532的D1端（11腳）為“1”電平，對應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及共陽數碼管構成，電路如圖5所示。把編碼器的Q2Q1Q0分別與譯碼器74247的CBA相接，因為本電路只是用到四組搶答，顯示的數字只是“1、2、3、4”，對應的編制碼是“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.新建設計文件。打開Proteus ISIS工作界面，選擇菜單“文件”——“新建設計”命令，彈出選擇模板窗口，從中選擇“DEFAULT”模板，單擊“確定”按鈕。這樣一個新的設計文件就建立起來了。

2.元件選擇。在畫原理圖之前，應將電路圖中所用元件從庫中選擇出來從庫中選擇元件時，可輸入所需元件的全稱或部分名稱，元件拾取窗口可以進行快速查詢。本設計要用到的器件有：元件中的555定時器、電阻 Resistor、地線 GROUND、電容 CAP、七段數碼顯示器、顯示譯碼器74247、與非門 7400、7420、按鈕、發(fā)光二極管。在模型選擇工具欄中選元件（默認），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。用鼠標右鍵單擊元件會出現(xiàn)該元件的快捷菜單，此快捷菜單中有移動、以各種方式旋轉和刪除命令。

（2）電源和地的放置。單擊元件工具箱中的終端按鈕圖標：則在對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。將光標靠近一個對象的引腳末端，該處將自動出現(xiàn)一個紅色小方塊，單擊鼠標左鍵，拖動鼠標，放在另一個對象的引腳末端，該處再出現(xiàn)一個紅色小方塊，再單擊鼠標左鍵，就可以在兩個引腳間畫出一根線來，如果需要拐彎，則只需要拐彎處單擊一下鼠標左鍵即可。

4.仿真運行。電路原理圖畫好并檢查通過后，就可以仿真運行，仿真電路圖如圖1所示。仿真時，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定時器提供秒脈沖信號，其參數要經過多次調試才能滿足設計要求。采用 Proteus 軟件仿真的方法體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

四、結語

從上述課程設計可以看出，引入仿真技術之后，真正把課堂還給了學生，學生成了教學活動的主角，整個教學活動是學生在教師引導下的實踐、總結、分析、討論，沉悶的課堂變得生動，學生的動手欲望得到了滿足，學生的學習熱情被充分的調動起來。他們對知識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，通過虛擬實驗平臺上提供了大量的虛擬儀器和虛擬電子元件供學生使用，激發(fā)了學生的創(chuàng)造性，在數字電路課程設計中起到了極其重要的作用。

參考文獻：

[1]孔凡才， 周良權.電子技術綜合應用創(chuàng)新實訓教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]杜樹春.基于Proteusd的數字集成電路的快速上手[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]伍湘彬.電子技術基礎與技能》電子信息類[M].北京：高等教育出版社，2006.

責任編輯朱守鋰