基于Proteus VSM的數字電路仿真實驗平臺

殷金曙, 杜世民, 楊相生

(寧波大學 科學技術學院, 浙江 寧波 315212)

通信作者:杜世民(1976—),男,浙江東陽,博士,副教授,主要研究方向為集成電路設計自動化和電子系統設計.

基于Proteus VSM的數字電路仿真實驗平臺

殷金曙, 杜世民, 楊相生

(寧波大學 科學技術學院, 浙江 寧波 315212)

運用Proteus VSM技術構建了一個數字電路仿真實驗平臺。該平臺將所有實驗的實驗任務和相關文檔整合在一起,學生可以不受時間和地點的限制登錄該平臺完成選定的實驗任務,提高了實驗的開放性和靈活性。平臺支持學生自制常用芯片的實物封裝圖,用于進行連接圖的仿真,增加學生對實驗器件的認識。實際運行結果表明,該平臺對提高數字電路實驗教學的效果、激發學生的學習興趣起到了很好的促進作用。

數字電路； 仿真實驗平臺； Proteus VSM

“數字電路”是一門實踐性很強的課程,數字電路實驗對學生理解和掌握數字電路的理論知識與實踐技能有至關重要的作用[1]。隨著計算機技術的進步,虛擬仿真在電子電路實驗教學中的應用越來越多[2-4]。由于虛擬仿真實驗沒有實物實驗的一些條件限制,在實驗的內容和深度上可以大大擴展,并且可以避開實物實驗中的問題,使學生將主要精力集中在電路設計上,提高學生的學習興趣和實驗技能[2,5]。因此,虛擬仿真實驗已成為一種有效的數字電路實驗教學模式。

在實驗教學實踐中,虛擬仿真實驗尚存在一些不足:

(1) 在實驗內容方面沿襲傳統的實物實驗,以驗證單元電路的邏輯功能及其簡單應用的基礎性實驗為主,綜合性實驗較少[6-7]；

(2) 虛擬仿真實驗大多是對原理圖的仿真,缺乏對實物實驗的仿真,實驗的真實感不強[8-9]；

(3) 未能將各實驗項目及相關文檔進行有機整合,不方便學生自主完成實驗。

為此,筆者采用Proteus VSM和VC編程技術,構建了一個數字電路仿真實驗平臺。該平臺將多個數字電路實驗整合在一起,學生進行實驗可不受時間、地點的限制,提高了實驗的開放性和靈活性。該平臺不僅能夠實現原理圖的仿真,還能通過構建芯片的實物模型進行實物實驗的仿真,從而增強學生實驗時的真實感。此外,對已有器件庫中缺少或者不支持的芯片,學生還可以自己進行芯片電路設計仿真,從而突破了現有器件庫的限制。

1 Proteus VSM介紹

Proteus VSM軟件是由英國Lab Center Electronics公司開發的一款EDA軟件,是目前最好的電路設計與仿真平臺之一[10-11]。Proteus提供了較為完善的電子器件庫,可以對模擬電路、數字電路、模/數混合電路、單片機及外圍元器件進行仿真,同時提供了一套功能強大的元器件制作方案和簡便易用的印刷電路板設計工具,是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。Proteus創建模型的方法分以下4類。

(1) SPICE Models。基于器件SPICE參數構建的模型,器件生產方一般會提供SPICE文件,也可以利用相關工具軟件來創建器件內部電路的SPICE文檔,主要用于模擬器件的建模。

(2) Schematic Models。原理模型是以原理圖的方式搭建器件模型,可以與實際器件內部電路不同,但它的外特性和待建模型對象完全相同,而且操作簡單、繪制方便、效率高。

(3) Active models。通過庫中圖形符號(Symbols)和自建圖形符號,組建動態的仿真模型。在Proteus VSM中,圖形符號是構成器件的基本單位,例如引腳、器件本體圖形等,一個器件就是圖形符號(Symbols)和模型的結合體。

(4) VSM Models。使用VSM SDK在VC++環境中創建DLL文件。它是通過相關接口和Proteus VSM的仿真核心PROSPICE和ISIS交換相關仿真數據的動態鏈接庫,因此具有強大的人機交換功能,包括圖形、動畫等。但該建模方法對操作人員要求較高,需要掌握DLL(動態鏈接庫)編程。本文中主要采用這一技術來構建數字電路的仿真實驗平臺。

2 基于VSM的數字電路仿真實驗平臺架構

在實際的數字電路實驗中,學生利用數字電子實驗箱的74系列等芯片,可以完成若干個基礎性和綜合性實驗；而利用Proteus VSM構建虛擬的數字電路實驗平臺,學生可以完成所有實物實驗的仿真。

數字電路仿真實驗平臺設有10個基礎性實驗和6個綜合性實驗。

基礎性實驗包括:

(1) D/A、A/D轉換器實驗；

(2) 555定時器及其應用實驗；

(3) 移位寄存器及其應用實驗；

(4) 計數器及其應用實驗；

(5) 觸發器及其應用實驗；

(6) 加法器及其應用實驗；

(7) 譯碼器及其應用實驗；

(8) 數據選擇器及其應用實驗；

(9) 用SSI實現組合邏輯電路實驗；

(10) OC門與三態門的應用實驗。

綜合性實驗包括:

(1) 數字電子鐘實驗

(2) 交通燈控制器實驗；

(3) 4人搶答器實驗；

(4) 自動售飲料機實驗；

(5) 出租車計價器實驗；

(6) PWM信號發生器實驗。

基礎性實驗的實驗項目緊扣課程教學內容[12],其目的在于幫助學生掌握常用數字邏輯電路的功能、特點及其簡單應用。綜合性實驗主要培養學生的綜合電路設計能力[1-2]。與現有的實物實驗相比,該平臺在綜合性實驗方面有了較大的擴展。

為便于系統管理,采用VC編程技術開發了一個實驗輔助軟件,將所有的實驗項目整合在一起,形成一個完整的系統。學生通過學號和姓名登錄系統,進入實驗項目列表主界面(見圖1)。點擊所要進行的實驗項目,系統就會自動打開Proteus ISIS編輯器調用相對應的編輯文檔。學生根據實驗要求進行仿真運行、觀察實驗結果。為便于學生實驗,將每個實驗項目的要求、內容及步驟等相關文檔整合在一起,通過點擊實驗指導文檔按鈕可以查詢實驗項目的相關信息。

圖1 實驗平臺主界面

每一個實驗項目都是一個獨立的實驗子系統,可以完成特定的實驗內容。為充分發揮虛擬實驗的優點、提高實驗教學的效果,對每個實驗項目中的具體實驗內容進行了重新設計,使實驗內容更加充實。

例如原加法器實驗的內容為:

(1) 測試74LS08、74LS32、74LS86的邏輯功能；

(2) 用74LS32及74LS86構成一位半加器；

(3) 用LS08、74LS32、74LS86構成一位全加器；

(4) 用74283設計8421碼到余3碼的轉換電路。

修改后的實驗內容為:

(1) 設計并制作全加器芯片74LS183；

(2) 繪制74LS183時序仿真圖；

(3) 用74LS183芯片組成串行4位全加器；

(4) 用74LS283構成一位8421碼加法電路。

3 平臺所需元器件的制作

能便捷地制作元器件是Proteus的一大特色。Proteus自帶的器件庫已經提供了大多數TTL74系列和CMOS4000系列的數字芯片,但其中部分芯片由于沒有提供仿真模型,因此并不能用于仿真。為便于進行相關仿真實驗,可以采用VSM建模技術,對實驗仿真平臺中所需的部分芯片進行重新設計,并制作相應的電氣符號和實物封裝圖,供學生實驗時調用。

對于一些不太復雜的74183、74153等74系列芯片,要求學生根據芯片的邏輯功能自己動手設計,并利用自制的元器件來完成實驗。

例如，要制作一位全加器電路74183,首先要在ISIS窗口繪出該器件的電路原理圖(見圖2,電路內部全部由與非門構成,也可用其他門電路來設計),并將其保存為模型設計文件(例如MY74183.MDF)。

圖2 1位全加器原理圖(MY74183.MDF)

然后,繪制元器件的電氣外形,定義I/O引腳屬性,使其和MY74183.MDF輸入輸出信號名稱相對應。繪制器件外形一般有2種方式:電氣符號和實物封裝圖(見圖3),可分別用于電路原理圖和實物器件的仿真。

圖3 74LS183的邏輯符號和實物封裝圖

最后,利用Proteus的Make Device命令,定義元器件PCB封裝的相關參數。

在系統平臺中,除了補充實驗項目所需的部分元器件外,還開發了學生實驗常用的輸入輸出儀器設備,例如電平撥盤開關、電平指示器、方波發生器等,供學生在實驗中使用。利用Proteus VSM制作的可調方波發生器可以產生0～100 kHz的任意方波信號，其前面板如圖4所示。

圖4 自制的方波發生器前面板

4 實物連接圖仿真

原有的基于Proteus或Mutisim等電路仿真軟件的虛擬實驗,大多用于電路原理圖的仿真實現。它們通過調用Proteus自帶的若干元器件來完成特定功能電路原理圖的設計。例如,要用JK觸發器設計一個同步五進制減法計數器,可以采用3個JK觸發器和若干與非門來實現,如圖5所示。然后,對所設計的原理圖進行仿真,以驗證電路設計的正確性。

圖5 五進制減法計數器的電路原理圖

這種電路原理圖的仿真十分有助于學生加深對觸發器、門電路等基本數字電路邏輯功能的理解,但學生并不一定能很好地掌握實際JK觸發器芯片的邏輯功能和使用方法。為增加學生對實際實驗和器件的感性認識,在數字電路仿真實驗平臺中引入了電路實物連接圖的仿真。學生可以采用第3節方法制作出實驗所需的芯片實物封裝圖,然后調用芯片的實物封裝繪制出實物連接圖進行仿真,如圖6所示。由于所制作的芯片實物封裝圖與實際器件的引腳名稱和排列順序完全一致,輸入輸出設備和實物實驗也基本相同,因此，這種實物圖的仿真不僅可以增加為學生對實際器件的感性認識,同時也可以作為學生進行實物實驗的參考。

圖6 五進制減法計數器的實物連接圖及仿真

5 結語

利用Proteus VSM和VC編程技術構建的數字電路仿真實驗平臺,將數字電路的基礎性實驗、綜合性實驗以及相關文檔集成在一起。對每個實驗項目,可以同時進行原理圖和實物連接圖的仿真,增強了實驗的真實感。學生還可以采用自己制作的元器件來設計電路,提高了電路設計的靈活性。實際運行結果表明,該平臺有助于學生提高數字電路綜合設計與實踐動手能力,激發學生的創造力和主觀能動性,并為進行實物器件的實驗奠定堅實基礎。

References)

[1] 杜世民,楊相生,楊潤萍,等.基于EDA技術的數字電路綜合實驗研究[J].實驗技術與管理,2012,29(10):93-96.

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[3] 王爾申,龐濤,李鵬,等. Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J].實驗技術與管理,2013,30(3):78-81.

[4] 全曉莉,周南權.基于虛擬儀器技術的數字電路實驗系統研究[J].實驗技術與管理,2014,31(4):96-98.

[5] 劉友江.基于虛擬仿真的數字電路實驗教學改革實踐[J].中國現代教育裝備,2015(5):90-92.

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[9] 王榮志,張光國.虛擬實驗與傳統實物實驗的辨證關系[J].裝備維修技術,2004(2):36-38.

[10] 許維鎣,鄭榮煥.Proteus電子電路設計及仿真[M].2版.北京:電子工業出版社,2014.

[11] 朱清慧.Proteus電子技術虛擬實驗室[M].北京:中國水利出版社,2010.

[12] 閻石.數字電子技術基礎[M]. 5版.北京:高等教育出版社,2011.

Simulation experimental platform for digital circuit based on Proteus VSM

Yin Jinshu, Du Shimin, Yang Xiangsheng

(College of Science and Technology, Ningbo University, Ningbo 315212, China)

A simulation experimental platform for the digital circuit is built by using Proteus VSM technology. This platform integrates all the experimental tasks and the related documents together, and students can log on the platform at any time and place to complete the corresponding experimental tasks, which improves the openness and flexibility of the experiment. The platform supports the students’ self-made physical package diagrams of commonly-used chips which are applied to the simulation of connecting diagrams, in order to enhance the students’ understanding of experimental apparatuses. The actual operation results show that the platform has played a positive role in improving the effect of the experimental teaching of the digital circuit and stimulating students’ learning interest.

digital circuit; simulation experimental platform; Proteus VSM

TN911.6

: A

: 1002-4956(2017)09-0116-04

2017-03-03

浙江省自然科學基金項目(LY15F030008)；浙江省高等教育學會實驗室工作研究項目(YB201616)；寧波大學科學技術學院十三五課程建設項目(20160627)

殷金曙(1969—),男,浙江寧波,本科,實驗師,主要研究方向為電子系統設計和電子技術實驗教學

E-mail:dushimin@nbu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.029