基于Proteus的數字電路仿真平臺設計與實現

陳志鳳，張亞如

(1.廊坊師范學院，河北 廊坊 065000；2.廊坊市模式識別與機器智能重點實驗室，河北 廊坊 065000)

基于Proteus的數字電路仿真平臺設計與實現

陳志鳳1，2，張亞如1，2

(1.廊坊師范學院，河北 廊坊 065000；2.廊坊市模式識別與機器智能重點實驗室，河北 廊坊 065000)

根據數字電路課程的特點，利用Proteus軟件，搭建了基于Proteus的數字電路仿真平臺。以8路搶答器設計為例介紹整個設計過程。仿真結果表明，可以顯示出各引腳高低點電平變化情況，加深學生對理論知識的理解。此平臺作為理論教學的輔助手段，可以對實驗原理做更好的解釋，提高學生動腦動手水平，為培養應用型人才打好基礎。

Proteus；數字電路；仿真平臺

0 引言

《數字電子技術》是通信、電子、電氣等專業的重要基礎課程，主要研究基本的半導體元器件的工作原理、常用電子電路的原理和應用。本課程能培養學生具有常用電子元器件的識別與檢測能力，具備一定的常規電子電路的測試、分析、設計、制作等能力，從而提高學生專業素質和職業素質。達成上述教學目標，實踐環節在整個教學過程中起著很重要的作用[1]。

目前很多學校在數字電子電路課程的實驗教學中，都配有不同型號的實驗裝置。這些裝置在實驗教學中存在許多缺陷，如教學資源不足、學生實驗內容固定、維護成本不斷增加等。

虛擬仿真實驗平臺就很好地解決了這些難題。在電子類課程教學中引入仿真實驗平臺[2]，將現有的單一實驗室實際操作改變為實驗室實際操作+仿真平臺仿真設計，兩者結合，對提高學生實踐能力很有助益。

對數字電子技術來說，Proteus是目前較為優異的仿真工具，由于不涉及編程語言，非常適合初學者學習。本設計研究建立了基于Proteus實驗教學平臺，進行了仿真設計等實驗,可以幫助學生更好地學習理論知識，提高學習興趣，并為后續課程的學習打好基礎。

1 Proteus軟件簡介

Proteus是英國Labcenter electronics公司研究發明的一種多功能EDA軟件，它具有友好的人機互動窗口界面和功能強大的ISIS智能原理圖輸入系統，操作菜單與工具很豐富。在ISISS智能原理圖編輯區中，能很方便地完成電路系統的硬件設計、軟件設計、源代碼級調試與仿真等。

Proteus有三十多個元器件庫，具備上千種元器件仿真模型；有形象生動的動態器件庫、外設庫。Proteus有十多種的信號激勵源，十多種虛擬儀器(如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等)；提供軟件調試功能，能進行模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動態仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真等。Proteus支持如Keil C51 uVision2等第三方的軟件編譯和調試環境。

Proteus還有使用方便的印刷電路板高級布線編輯軟件(PCB)。值得一提的是，Proteus庫中的仿真模型都是依據生產企業提供的數據來建立的，所以Proteus設計與仿真極其接近實際。將Proteus仿真平臺應用到電子類產品研發過程中，能明顯節約研發成本，縮短研發周期，提高研發效率。

Proteus ISIS的工作界面屬于標準的Windows界面，如圖1所示。界面包括標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、預覽窗口、圖形編輯窗口、對象選擇器窗口、對象選擇按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、狀態欄等。這種界面設計能使用戶感覺比較熟悉，使用起來比較方便。

2 基于Proteus 的《數字電子技術》方針實驗設計

2.1 總體設計

根據數字電子技術教學大綱的要求，結合本校所選用教材[3]及實際操作實驗，確定仿真實驗的內容，包括光電轉換控制電路、智力競賽搶答器、游戲中的隨機擲數發聲器、秒信號發生器、滾環電路流水燈、觸摸功能延時燈。整個實驗系統內容涵蓋了《數字電子技術》重要知識點，實驗內容實用性較強，能夠激發和鞏固學生的學習積極性。

2.2 8路搶答器設計

下面以8路搶答器設計為例介紹整個設計過程。

2.2.1 實驗目的

(1)掌握優先編碼器的工作原理。

(2)掌握譯碼顯示的原理。

(3)熟悉8路搶答器的工作原理。

2.2.2 實驗原理

8路智力搶答器能實現以下功能：

(1)8人參加比賽，從1開始給編號，各用一個搶答按鈕，誰先按下數碼顯示器則顯示相應的按鍵號碼。

(2)主持人設置一個控制開關用來控制搶答的開始和系統的清零。

(3)搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按下搶答按鈕，編號立即鎖定，并在LED數碼管上顯示該選手的編號。此外，還要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優先搶答器選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止[4]。

8路智力搶答器電路由10線-4線優先編碼器74LS147、鎖存D觸發器CD4042、BCD碼4線-7線譯碼/驅動器CD4511、2輸入或非門CD4001以及LED數碼管等構成。

2.2.3 電路圖(圖2)。

2.2.4 實驗設備與器材

所用原件：D觸發器、譯碼器、優先編碼器、LED數碼管、或非門。

在Proteus 軟件中所對應的元件如圖3所示。

2.2.5 實驗內容

(1)測試各觸發器、優先編碼器和七段譯碼管的邏輯功能。

(2)根據實驗指導書，畫出詳細的電路圖。

(3)調試搭建好電路，直至正常工作。

(4)觀察實驗現象。

2.2.6 結果分析

運行仿真，會顯示各點高低電壓情況，如圖4所示。

仿真運行開始，顯示電路初始狀態及各引腳高低電平。其中，藍色為低電平，紅色為高電平(通過這種直接的觀察，有助于學生了解芯片引腳功能。而且在操作過程中，由于改變了輸入信號，各引腳狀態也會發生變化，通過分析這些變化，使學生能夠對芯片的功能有更深刻的理解)。然后，按下復位鍵。

按下復位鍵后，RS觸發器置1，D觸發器CD4042處于接收狀態，如圖5所示。

若此時某一位選手先按下按鈕，比如S2按下，編碼器的輸出0010，D觸發器的輸出也為0010，同時編碼器的輸出0010通過四個二極管VD1～VD4所組成的或門輸出高電平，使RS觸發器置0，D觸發器的CP端為0，D觸發器的狀態被鎖存為0010。經過CD4511譯碼后，LED數碼管顯示數字2，如圖6所示。

若此時其他選手也按下按鈕，因為D觸發器已處于鎖存狀態，不再接收信號，所以數碼管所顯示的數字不再發生變化，始終顯示搶答后第一位選手的編號。

若要進行下一輪搶答，主持人需要再按一下按鈕SB0，重新啟動系統，則D觸發器的CP端重新為1，D觸發器又可以接收數據，可以再次進行搶答。

另外，實現此功能的電路不只這一種。

在此電路圖中，編碼器用到的是4511，其輸出的是反碼，因此在送入D觸發器之前，要分別經過非門取反。若電路圖中給出的編碼器輸出是原碼的話，則可以直接送入D觸發器。

此外，D觸發器也可以選用JK觸發器來實現D觸發器功能，數碼顯示部分還可以選用共陽極數碼管和共陽極數碼管驅動電路來實現。

3 結論

由此可見，結合仿真，可以顯示出各引腳高低點電平變化情況，分析各芯片引腳功能，加深對理論知識的理解，可以對實驗原理做更好的解釋，加深學生的印象。

利用仿真平臺，可以結合學生實際情況，進行一題多練，用不同實體實現相同功能，對理論知識達到融會貫通，進而能夠靈活應用，變“讓我學"為“我要學"，提高學生動腦動手水平，為培養應用型人才打好基礎。

同時，仿真平臺的應用還有待于進一步改進，實驗內容還可根據實際教學要求進行刪改。在后續的工作中需繼續完善、修訂，使其應用達到節約教學成本、激發學生積極性、改善教學效果的目的。

[1] 余秋香，張建榮，黎小濤，等.基于Proteus的虛擬仿真技術在數字電路教學中方的實踐[J].產業與科技論壇，2014，13(20)：71-72.

[2] 覃楨，胡俊緯，劉文佳.Proteus仿真在數字電路中的項目教學研究[J].計算機教學，2013,(9)：112.

[3] 康華光，秦臻，張林.電子技術基礎數字部分(第六版)[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4] 沈任元，吳勇.數字電子技術基礎(第二版)[M].北京：機械工業出版社，2012.

Design and Implementation of the Simulation Platform of Digital Circuit Based on Proteus

CHENZhi-feng1，2，ZHANGYa-ru1，2

(1.LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China；2.LangfangKeyLaboratoryofPatternRecognitionandMachineIntelligence,Langfang065000,China)

Based on the characteristics of digital circuit course,we use Proteus to build simulation platform of digital circuit based on Proteus.The whole design process is introduced by taking the design of 8-way responder as an example.The simulation results show the change of high-low levels in each pin,and students can deepen their understanding of theoretical knowledge.Taking the platform as a supplementary means of theoretical teaching,teachers can give a better explanation of the experimental principles,improve students' practical abilities,and lay a solid foundation for cultivating applied talents.

Proteus; digital circuit; simulation platform

2016-11-20

廊坊師范學院校級教改項目(K2015-20)

陳志鳳(1979-)，女，碩士，廊坊師范學院物理與電子信息學院講師，研究方向：信號傳輸、信號處理。

TP331

A

1674-3229(2017)01-0060-04