《數(shù)字電路應(yīng)用》的設(shè)計(jì)與仿真探究

基于 Proteus 軟件對《數(shù)字電路應(yīng)用》進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。采用555定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，用時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器4024，用七段碼譯碼器4511將計(jì)數(shù)器送來的BCD 碼進(jìn)行譯碼，驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路應(yīng)用 555定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 七段碼譯碼器 LED 數(shù)碼管

在《數(shù)字電路應(yīng)用》教學(xué)中，構(gòu)建學(xué)生的電路設(shè)計(jì)理念，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，是教學(xué)的根本目的和核心內(nèi)容。《數(shù)字電路應(yīng)用》的設(shè)計(jì)和仿真，涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等多方面知識(shí)，能夠體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的理論功底和設(shè)計(jì)水平，而Proteus 等電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的出現(xiàn)，大大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率。文中采用了振蕩電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼顯示電路、光敏電路，闡述了Proteus電路設(shè)計(jì)與仿真在職業(yè)教育課程教學(xué)的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

《數(shù)字電路應(yīng)用》設(shè)計(jì)由振蕩電路、計(jì)數(shù)器電路、譯碼顯示電路、光敏電路組成。振蕩信號(hào)由555定時(shí)器產(chǎn)生，提供一定頻率的方波信號(hào)；計(jì)數(shù)器是對振蕩電路送來的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；譯碼顯示電路的作用是顯示計(jì)數(shù)器的值；光敏電路是通過檢測是否有光，從而對其它電路進(jìn)行電源的切換。其總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

1.2 芯片功能介紹

（1）555定時(shí)器 555定時(shí)器是8引腳集成器件，其工作原理為：輸出電壓只有高電平及低電平兩種狀態(tài)。在555定時(shí)器的復(fù)位端R端為低電平的條件下 ，無論閥值輸入端TH和觸發(fā)輸入端TR取何值，輸出端Q輸出低電平。 當(dāng)復(fù)位端R為高電平時(shí)，如果閥值電壓TH>2Vcc/3，且觸發(fā)電壓TR>Vcc/3，輸出端Q輸出低電平；如果閥值電壓 TH<2Vcc/3，且觸發(fā)電壓TR>Vcc/3，輸出端Q保持原狀態(tài)不變；只要觸發(fā)電壓TR

（2）二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4024 CD4024是14引腳集成器件，其功能為：具有清零、計(jì)數(shù)功能，當(dāng)清零端MR為高電平時(shí)，對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零；當(dāng)清零端MR為低電平時(shí) ，在CLK脈沖的下降沿到來時(shí)，完成計(jì)數(shù)功能。

（3）7段譯碼器 CD4511 CD4511是16引腳集成器件，其功能為：BI是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”，它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE腳是鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。DCBA為8421BCD碼輸入端。a～g為譯碼輸出端。

2 電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 振蕩電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的振蕩器采用由 555 定時(shí)器與 RC 組成的多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)，如圖2中的標(biāo)識(shí)所示。當(dāng)按鈕SW4抬起狀態(tài)時(shí)，Q端輸出信號(hào)經(jīng)電阻R2和電容C2構(gòu)成的RC選頻后，反饋至輸入端，形成振蕩，振蕩周期與RC大小成正比；當(dāng)按鈕SW4按下狀態(tài)時(shí)，輸入端口與輸出端口斷開，電路處于觸發(fā)狀態(tài)，通過按鈕SW3給輸入端觸發(fā)信號(hào)時(shí)，輸出端就有響應(yīng)。LED發(fā)光二極管可以看出相應(yīng)的輸出狀態(tài)。

2.2 計(jì)數(shù)電路及譯碼顯示電路設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)電路如圖2中的標(biāo)識(shí)所示，計(jì)數(shù)器的CLK與振蕩器的輸出端Q相連，用來計(jì)算振蕩脈沖脈沖的個(gè)數(shù)。2腳MR是復(fù)位腳，當(dāng)開關(guān)SW1 正常狀態(tài)彈起時(shí)，MR管腳為低電平，處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，Q1～Q4從0000～1111加1變化，輸出信號(hào)波形如圖3所示。當(dāng)按下按鈕時(shí)，MR管腳為高電平，處于復(fù)位狀態(tài)，Q1～Q4全部清零。

譯碼電路如圖2中的標(biāo)識(shí)所示，譯碼器的輸入端A～D與計(jì)數(shù)器的輸出端Q1～Q4相連，用來顯示計(jì)數(shù)器的數(shù)值。此類譯碼器型號(hào)有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CD4511（共陰）等，本設(shè)計(jì)采用CD4511，驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管。譯碼器輸入輸出關(guān)系如圖4所示。

2.3 光敏電路設(shè)計(jì)

光敏電路如圖2中的標(biāo)識(shí)所示，光敏電路由光耦U4和繼電器U5構(gòu)成。

當(dāng)開關(guān)SW2按下時(shí)，光耦中的發(fā)光LED點(diǎn)亮，模擬有光照的情況，光耦中的非門工作，6腳輸出低電平，三極管Q1截止，繼電器U5中的線圈無電流通過，電源經(jīng)X端進(jìn)入Y端，而Y端與其它電路的電源端相連，這樣，振蕩電路、計(jì)數(shù)器電路、譯碼顯示電路開始工作。

當(dāng)開關(guān)SW2抬起時(shí)，光耦中的發(fā)光LED不亮，模擬無光照的情況，光耦中的非門不工作，6腳輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器U5中的線圈得電，電源經(jīng)X端進(jìn)入Z端，而與Y端斷開，這樣，振蕩電路、計(jì)數(shù)器電路、譯碼顯示電路停止工作，從而達(dá)到控制效果。

3 電路仿真

在完成總體電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上 ，用Proteus電子電路仿真軟件完成電路的仿真與調(diào)試。首先對電路的各功能模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并對其實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行調(diào)試與仿真，所有的子系統(tǒng) 都能夠正常運(yùn)行時(shí)，把所有功能模塊整合在一起 ，進(jìn)行綜合仿真和調(diào)試，最終完成整體電路的仿真設(shè)計(jì)。

整體電路的調(diào)試過程如下：

首先按下SW2，模擬有光照的情況，此時(shí)振蕩電路、計(jì)數(shù)器電路、譯碼顯示電路開始工作。按下SW4，振蕩器處于觸發(fā)狀態(tài)，點(diǎn)按SW3一下，計(jì)數(shù)器“加1”一次，譯碼顯示器顯示“點(diǎn)按SW3”的次數(shù)；抬起SW4，振蕩器處于振蕩狀態(tài)，計(jì)數(shù)器不斷計(jì)算振蕩脈沖的個(gè)數(shù)，譯碼顯示器自動(dòng)譯碼并顯示計(jì)數(shù)器的值。

其次抬起SW2，模擬無光照的情況，振蕩電路、計(jì)數(shù)器電路、譯碼顯示電路停止工作，數(shù)碼管無任何顯示。從電路電路的仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)符合要求。

4 結(jié)論

通過以上《數(shù)字電路應(yīng)用》的仿真實(shí)例可以看出，用Proteus電子電路仿真軟件可以快速完成各種電路的設(shè)計(jì)與仿真，且不受元器件種類、數(shù)量和測試儀表儀器的限制，省去了用實(shí)際元器件安裝調(diào)試電路的過程，極大提高了電路設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，所以將它作為實(shí)踐教學(xué)上的一種輔助手段，可以對提高學(xué)生的綜合分析能力和創(chuàng)新能力起到非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]呂思忠.數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)-測試[M].武漢：華中電子科技出版社，2006.

[3]崔瑞雪.電子技術(shù)動(dòng)手實(shí)踐[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]劉勇.數(shù)字電路[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5]張克農(nóng).數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003.

作者簡介

陳羽（1979-），男，江蘇省南京市人。現(xiàn)為南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)。

作者單位

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省南京市 210023