基于Proteus的數(shù)字電路虛擬實驗室建設

劉 勝，楊 夏

(廣西財經(jīng)學院1.職業(yè)技術(shù)學院，2.信息與統(tǒng)計學院，廣西 南寧 530003)

“數(shù)字邏輯電路”是計算機及相關(guān)專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎課程。該課程概念較為抽象，特別是中規(guī)模集成電路往往令初學者難以掌握。為了加深學生的理解，實際教學中，除了要通過電路實例加以講解外，實驗的設置也非常重要。

Proteus軟件包可以提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低開發(fā)風險，在教學、科研和開發(fā)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用[1-3]。本文以八路搶答器的設計與仿真為例，闡述了以Proteus軟件的ISIS組件為主的虛擬實驗室及在數(shù)字電路實驗中的應用實踐。

1 虛擬仿真實驗室的建設

相對于傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗室，使用Proteus軟件構(gòu)建數(shù)字電路虛擬實驗室投入資金很少。只需要在計算機機房的每臺計算機上安裝Proteus軟件，就可以把普通機房變成一個虛擬的數(shù)字電路實驗室。Proteus中提供了30多個元件庫，并提供了各種儀器和電表，完全可以模擬一個實際的電路實驗工作臺[4]。實驗指導教師可以采用切換屏幕的方式進行實驗操作演示，實驗完成后學生上交DSN文件存檔。

2 虛擬實驗室的應用實踐

編碼器和顯示譯碼器是組合邏輯電路的典型代表，觸發(fā)器和鎖存器則是時序邏輯電路的重要基礎。本實驗要求學生在了解數(shù)字邏輯器件的邏輯功能基礎上，通過創(chuàng)新設計完成一個八路搶答器的電路，并在Proteus中仿真實現(xiàn)。

1)實驗課程安排

我們首先給出編碼器、顯示譯碼器、D觸發(fā)器和鎖存器的驗證電路。要求學生熟悉Proteus ISIS環(huán)境，并通過Proteus中的直觀的仿真反饋，了解集成電路芯片在各種不同輸入下的輸出。對照芯片手冊中的真值表和邏輯表達式，理解芯片功能。最后給出八路搶答器的功能描述，完成電路的設計和仿真。

2)八路搶答器功能描述

搶答器應在電路中設置“開始”和“復位”按鈕，當“開始”按鈕被按下時，蜂鳴器發(fā)聲時就開始搶答。在電路中設置8個帶有編號的搶答按鈕，當某個搶答按鈕被按下時，在數(shù)碼管上顯示該路按鈕的編號(編號為1-8)并保持，直到“復位”按鈕被按下，數(shù)碼管不顯示。

3)實驗指導

我們可以給出如圖1所示的編碼顯示原始電路，以便給學生提供設計思路。

圖1 編碼顯示原始電路仿真

Proteus中除了有按鈕元件外，還提供了一個LOGIC STATE元件。利用LOGIC STATE元件可以在仿真時實時對輸入信號進行手動控制。在設計階段，電路中所有按鈕或需要設置電平的引腳全部使用“LOGIC STATE”替代。

學生分析并仿真原始電路，后就會發(fā)現(xiàn)電路存在的問題:①該電路只能實現(xiàn)數(shù)碼管顯示0-7的效果，這顯然與設計要求中的要求顯示1-8不符;②原始電路中并沒有加入鎖存電路;③“開始”和“復位”按鈕也沒有出現(xiàn)在原始電路中。這些功能都需要學生自己添加，指導教師可以讓學生通過回顧各種中規(guī)模集成電路的功能來參與設計。通過在標準按鈕上連接虛擬示波器，學生可以理解按鈕被按下時引腳狀態(tài)的變化過程和反饋的概念等。

以在數(shù)碼管上對應8路按鍵分別顯示1-8為例，教師可以引導學生思考有哪些條件可以使得數(shù)碼管顯示8。結(jié)合設計實驗前對74LS47顯示譯碼器邏輯功能的驗證，提出使得數(shù)碼管顯示8的兩種方法:一種方法是使BCD碼輸入端的高位即“D”端輸入為1，“A”、“B”和“C”引腳輸入為 0，另一種則是將LT(測燈輸入端)設置為0。再結(jié)合圖1所示電路的仿真效果，引導學生利用74LS148的I0輸入來對顯示譯碼器進行控制，實現(xiàn)顯示效果。教師可以引導學生分析第一種方法可能存在的問題，并要求學生通過電路仿真加以驗證。考慮到當I0信號與其他搶答按鍵同時有效時，第一種方法存在顯示錯誤的可能，第二種顯示電路方案如圖2所示。

圖2 修改后的編碼顯示電路仿真

以按下“開始”按鈕后的發(fā)聲部分電路為例，該電路使用555的單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)，仿真電路如圖3所示。觸發(fā)信號輸入后，發(fā)聲時間的長短需要通過R2和C1大小來控制。調(diào)整過程中不僅可以聽到蜂鳴器的響聲，還可以使用Proteus中的虛擬示波器查看電路響應。圖4是電路仿真時在Proteus中看到單穩(wěn)態(tài)電路的實時輸入輸出波形。

圖3 555單穩(wěn)態(tài)電路

圖4 單穩(wěn)態(tài)電路波形

鎖存電路是八路搶答器設計的關(guān)鍵，實驗通過74LS373和D觸發(fā)器的應用加深學生對時序邏輯的認識。以D觸發(fā)器為例，實驗通過兩個典型的D觸發(fā)器應用電路讓學生理解異步置位端(R*和S*)、時鐘輸入端及D輸入端的關(guān)系。圖5為學生設計的八路搶答器仿真電路。

圖5 八路搶答器電路仿真

在圖中的①所示，電路通過R*和S*直接實現(xiàn)電路狀態(tài)的維持功能，可應用在“開始”和“復位”按鈕電路中。

在圖中的②所示，電路通過對D端的控制，依照D觸發(fā)器的特征方程:Qn+1=D，分別實現(xiàn)只響應一次上升沿輸入的鎖存功能和有條件置零功能。

3 結(jié)語

本文以八路搶答器作為一典型設計實例，實驗過程中充分發(fā)揮了Proteus軟件優(yōu)勢，通過快捷的電路圖繪制和修改方式，直觀的電路仿真，充分調(diào)動了學生的學習積極性。學生根據(jù)自己的認識，設計出了多種不同的電路。學生通過實驗加深了對典型中規(guī)模集成電路的應用認識。

[1]周潤景，張麗娜.基于Proteus的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006

[2]吳小花，吳先球.Proteus電路設計與仿真在教學中的實踐[J].北京:計算機系統(tǒng)應用，2010(2)，201-204

[3]楊增汪，陳斯，戴新宇.基于Proteus的電類綜合實驗系統(tǒng)的構(gòu)建[J].北京:中國現(xiàn)代教育裝備，2010(15)，116-118

[4]匡載華，鄧小鵬.電子類學科專業(yè)Proteus實驗室的建設[J].北京:實驗技術(shù)與管理，2009，26(1):155-158