Proteus在《數字邏輯電路》課程教學中的應用

王華本　朱良月　鹿建銀

摘 要

隨著集成電路的發展，計算機各個專業所涉及的硬件類的課程也越來越重要，但學生整體掌握的情況不是很好，為了提高教學質量，本文在《數字邏輯電路》課程中加入Proteus仿真教學，把課堂教學過程中的難以理解的知識點理論教學后，再用Proteus進行仿真，讓學生真正理解所學內容。拓寬學生學習的知識邊界，提高學生理論融合實踐的技能，掌握電路的設計方法，有助于培養養學生綜合分析能力以及創新創造的能力。

關鍵詞

集成電路;Proteus;仿真教學

中圖分類號： TN791-4;G642 ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.19

0 綜述

Proteus是一個巨大的教學資源，Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件，有30多個元件庫。《數字邏輯電路》課程中所遇到的元器件在Proteus很容易找到。《數字邏輯電路》課程中主要就是兩大電路：組合邏輯電路、時序邏輯電路。組合邏輯電路的基本單元電路是與門電路、或門電路、非門電路，對應Proteus如圖1所示：從圖中很清楚地看到與門電路74LS08管腳的分布，上面集成有4個與門，共有14個管腳，其中7腳接地（GND），14腳接電源（VCC）。

組成時序邏輯電路的單元電路主要是觸發器，最常見的是D觸發器和JK觸發器，如圖2所示：

《數字邏輯電路》課程中的兩大電路：組合邏輯電路、時序邏輯電路，講授課程時，必須先把基本單元電路原理講清楚，并借助Proteus仿真平臺，讓學生加以理解和消化，這樣就很容易化難為易。

1 門電路

《數字邏輯電路》中基本的門電路：與、或、非最基本的三種門電路，也是構成組合邏輯電路的單元電路，講解過程中穿插Proteus仿真進行輔助理解和學習。譬如講到最簡單的與門，可以使用芯片74ls08，同樣可以輸入關鍵字and，就可以找到對應的與門符號，為了驗證與門功能，還需要添加輸入控制端LogicState，輸出端LogicProbe，仿真電路如圖3所示。

這樣從圖3中就能很輕松地總結出與門電路的功能：有零出零，全1出1。同學們學習、理解就非常輕松。并可以類推出其他門電路的功能。

2 組合邏輯電路

組合邏輯電路的輸出是由輸入決定的，電路沒有記憶功能，電路結構相對來說是比較簡單的，但在具體講解譯碼器功能時，發現學生的理解仍然存在障礙，特別對于低電平有效，學生無法把函數表達式與功能一一對應。引入Proteus仿真后，把譯碼器74ls138分三個模塊進行知識的講解：輸入端、使能控制端、輸出端。首先讓同學們理解使能控制端的作用，何時禁止譯碼;何時芯片開始工作但是還沒有接到譯碼信號;何時開始真正譯碼工作。如圖4所示：譯碼器74ls138功能的仿真圖可知，輸入端A、B、C;使能控制端E1、E2、E3、輸出端Y0～Y7。從芯片仿真圖可知，使能控制端E1、E2、E3所加信號為1、0、0時，芯片開啟工作模式，輸出端Y0～Y7全部是低電平有效。這樣講解以后發現90%以上的學生能很快理解原理，并能用74ls138和門電路進行電路的設計一個電路，實現全加器的功能，如圖5所示。

3 觸發器

觸發器是同步雙穩態器件，也稱為雙穩態多諧振蕩器。觸發器是構成時序邏輯電路的單元電路，主要的是D觸發器和JK觸發器兩種，仿真元件的代表是74ls74、74ls112。D觸發器的輸出在CP脈沖的作用下和輸入時一樣的，這里的初態的設置同學們很難理解，其實就是觸發器的R端和S端，這兩個端一個清零，另外一個置1，初態設置好以后，觸發器正常工作時候，觸發器的R端和S端必須置1。

D觸發器的仿真圖中很容易得出如表1所示的D觸發器的功能真值表，清零，置1，輸入與輸出保持一致。

通過Proteus仿真，能將難懂的原理通過仿真電路來實現功能，在整個教學的過程中不用擔心元器件的損耗，也不用擔心內部電路導線接觸不良，結果無法正常顯示。學生可以在自己的電腦上安裝Proteus，課下可以多次訓練，以掌握知識的要領，進一步理解原理，這樣到固定的實驗室做實驗時候，就能做到心中有數，不再手忙腳亂，真正的實物實踐和仿真實踐是由差異的，但先通過仿真，同學們就能在理解原理的基礎上快速完成實踐，真正的實物實驗有好多因素導致實驗無法顯示正確的結果。譬如電路板焊點脫落，芯片損壞，實驗平臺上面固定的元器件損壞等等這些因素都會導致實驗結果無法正常顯示。學生在這種情形下就會喪失學習的信心。而此時的Proteus就恰到好處地彌補了這個缺失。JK觸發器74ls112的仿真圖如圖7所示。

從仿真電路圖中可以看出JK觸發器只有4種情況：00、01、10、11，但這里面有一個初始狀態的設定，每一種情況初始狀態可以為0，也可以為1，還有開始時的清零和置1，總而言之，共有10種情況，如果不借助Proteus仿真，學生可能要云里霧里，上課的過程中，借助Proteus仿真就可以很輕松把這10種情況講解清楚，這樣水到渠成地從JK觸發器的仿真圖中得出如表2所示的JK觸發器的功能真值表，并總結出JK觸發器的規律：00保持，相異從J，11翻轉。對于JK觸發器的功能學生只要記住這3句話，12字就可以，以后在設計時序邏輯電路的時候用到驅動表也是從此得出的。

4 時序邏輯電路

時序邏輯電路相對來說比較復雜，移位寄存器仿真電路圖如8所示：電路構成單元是4個D觸發器，通過仿真實驗很容易得出移位寄存器狀態轉換真值表。如表3所示。

5 結語

Proteus在《數字邏輯電路》課程教學中的應用，恰到好處地補充了硬件電路在實物實踐的不足，同時增添了學生學習的樂趣，拓寬同學們學習的知識邊界，培養學生自主學習的能力，提升了同學們綜合應用知識的進行分析和解決問題的能力。

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