基于Proteus的舉重裁決器電路設計與仿真

賈秀玲，姚 聰，張保花

(1.滁州職業技術學院，安徽 滁州 239000；2.昌吉學院，新疆 昌吉 831100)

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基于Proteus的舉重裁決器電路設計與仿真

賈秀玲1，姚 聰1，張保花2

(1.滁州職業技術學院，安徽 滁州 239000；2.昌吉學院，新疆 昌吉 831100)

組合邏輯電路設計是數字電路教學的一個重點內容。在項目化課程教學改革中，選擇舉重裁決器的設計為項目載體，采用不同的電路設計方法來實現電路功能，利用proteus軟件對設計電路的功能進行仿真，比較這幾種設計方案的優劣，歸納總結組合邏輯電路的設計思路和方法，便于學生學習、掌握組合邏輯電路的要點。

Proteus軟件；舉重比賽；電路設計和仿真

0 引言

數字電路由組合邏輯電路和時序邏輯電路兩類典型電路組成，其中組合邏輯電路的設計在數字電路課程中占據非常重要的地位，它以邏輯代數基礎、基本門電路、組合邏輯電路分析為基礎，為后續時序邏輯電路的學習做好鋪墊。在教學中，教師應創設學習情境，激發學生的學習興趣，啟發、鼓勵學生探索多方案的電路設計。本研究通過舉重裁決器的設計制作過程，讓學生體會、掌握組合邏輯電路的設計方法，培養他們利用所學知識來分析、解決實際問題的能力。

Proteus是英國Labcenter electronic公司開發的一款EDA工具軟件，具有豐富的元件庫、多樣的激勵源、各種類型的虛擬儀表[1]，可以實現電路原理圖設計、模擬(數字)電路仿真、單片機與外圍電路仿真、PCB設計，是目前世界上唯一將電路原理圖繪制軟件、PCB設計軟件和虛擬仿真軟件三合一的設計平臺[2]。在數字電路課堂教學中借助Proteus軟件可以讓學生對設計電路的過程和電路功能有清晰、直觀的認識，提高電路設計的效率，能夠將枯燥的理論知識講解變得生動有趣，激發學生探索知識的熱情及對電路設計的開發和創新能力。

1 舉重裁決器電路的設計要求

舉重比賽有3名裁判，分別為兩名副裁判和1名主裁判，裁判規則是只有當2名或2名以上的裁判同意，且其中1名為主裁判時，舉重運動員試舉才算成功，否則，舉重運動員失敗。請設計一款舉重裁決器，實現以上電路功能。

(1)列出真值表，寫出邏輯函數表達式；

(2)畫出邏輯電路圖，并用proteus軟件對電路進行功能仿真。

2 舉重裁決器的設計方法

2.1 用門電路設計

組合邏輯電路設計的一般步驟為：①首先確定輸入、輸出變量及其取值情況，列真值表；

②根據真值表，寫出邏輯函數表達式；

③對邏輯函數進行化簡；

④畫出邏輯電路圖。

根據組合邏輯電路設計的步驟，舉重裁決器的具體設計過程如下：

設A為主裁判，B、C分別為兩名副裁判，在舉重運動員試舉時，裁判員同意，取值為1，否則，取值為0；Y表示舉重的結果，成功取值為1，失敗取值為0。

①列真值表

根據題意列出舉重裁決器的真值表如表1所示：

表1 舉重裁決器的真值表

②寫出邏輯函數表達式

根據真值表，寫出邏輯函數表達式：

③對邏輯函數進行化簡

④畫邏輯電路圖

根據化簡后的邏輯函數表達式，畫出邏輯電路圖如圖1所示：

在工程實際中，根據圖1所示的電路，動手制作舉重裁決器，并不可取。因為邏輯門要通過集成芯片來實現其功能，電路中含有兩種邏輯門，就需要兩種不同類型的集成芯片，增加了電子產品的制造成本。由于一個集成塊內通常有多個相同的邏輯門，因此借助摩根定律，將化簡后的邏輯函數表達式轉換為與非-與非表達式，可用同一種類型的邏輯門來實現相應的邏輯功能，降低成本。

所以，對Y=AB+AC兩次取非，可得

根據上式，只要用1片集成與非邏輯門74LS00就能實現舉重裁決器的邏輯功能，其邏輯圖如圖2所示。

2.2 用譯碼器設計

譯碼是編碼的逆過程，具有譯碼功能的組合邏輯電路稱為譯碼器。譯碼器的種類很多，但它們的工作原理和分析設計方法大同小異，日常生活中使用比較廣泛的典型譯碼電路有二進制譯碼器、二-十進制譯碼器和顯示譯碼器[3]。

二進制碼譯碼器，其輸出變量為輸入變量最小項的形式，也稱最小項譯碼器，所以可以用譯碼器來實現組合邏輯函數的功能，如3線-8線譯碼器74LS138，功能表如表2所示。

表2 74LS138的功能表

根據功能表可以寫出輸出變量的表達式為：

…

舉重裁決器的邏輯函數表達式為：

2.3 用數據選擇器設計

數據選擇器的功能是在輸入地址譯碼的控制下，能夠從多路輸入信號中選出一個特定的信號送到輸出端的組合邏輯電路，又稱為多路選擇器或多路開關[3]。

74LS151是集成8選1數據選擇器，它的功能表如表3所示。

根據74LS151的功能表可以寫出輸出變量Y的邏輯函數表達式為：

根據以上電路設計，畫出邏輯電路圖如圖4所示。

表3 74LS151的功能表

輸入使能端EN地址碼A2A1A0輸出YY1×××010000D0D00001D1D10010D2D20011D3D30100D4D40101D5D50110D6D60111D7D7

3 Proteus軟件仿真

根據以上三種不同方法設計的舉重裁決器電路，可直接利用proteus軟件畫出其邏輯電路圖，然后再對電路的邏輯功能進行仿真，這樣就減少了電路制作中元器件布局、導線連接、焊接等實際操作，簡化了硬件電路的調試工作，提高了電路設計及邏輯功能驗證的效率和準確性，為電路功能的開發和創新提供了新的思路和平臺。

3.1 繪制原理圖

(1)打開proteus軟件，在ISIS界面新建文件。

(2)查找所需元器件，并添加至元件列表中。

具體操作是，首先打開元件庫搜索器，在左側“索引”欄輸入元器件的名稱，例如方案中所需要的二輸入與非門可直接輸入“74LS00”，開關可輸入“switch”等。在輸入元件名稱的同時，右側的“搜索結果”界面實時顯示包含該名稱的元件，在“搜索結果”的列表中雙擊所需的元件名稱，即可將該元件添加至元件列表中。

(3)放置元件

在最左邊的模式選擇欄中，選擇“元件模式”，再在預覽圖下方的列表即元件列表中單擊所需放置的元件，接著在原理圖繪圖區點擊一次鼠標左鍵，然后在原理圖繪圖區選擇該元件合適的放置位置，點擊左鍵確認。

(4)導線連接

具體步驟：將鼠標移動至導線起點的元器件引腳處，鼠標指針會出現“×”提示符號，點擊左鍵確認就可以劃線了，需要導線拐彎時點擊鼠標左鍵即可改變導線的方向，在導線結束時再點擊左鍵就完成了一段導線的連接。

(5)放置電源和接地符號

電路中所有導線連接完成后，添加電源和接地符號，就完成了原理圖的繪制[4]。電源和接地符號的放置步驟和元件放置步驟相同，區別在于電源和接地符號不在元件列表中。在最左邊的模式選擇欄中，選擇“終端模式”，預覽圖下方的列表為終端列表，其中“POWER”為電源，“GROUND”為接地。

3.2 仿真結果

在Proteus軟件的ISIS界面中繪制的電路原理圖中，點擊左下角的仿真按鈕，電路沒有任何響應，當按下主裁判開關A和其中任何一個或兩個副裁判開關B、C時，輸出端Y接的LED燈亮，表示舉重運動員成功。圖5、圖6、圖7分別是三種設計方案的仿真結果，從圖中可以看出三種不同方法設計的電路都實現了電路功能，當2名或2名以上裁判同意，其中1名必需為主裁判時，舉重運動員成功。

4 總結

本文通過舉重裁決器的多方案設計，詳細介紹了組合邏輯電路的不同設計方法和技巧，又利用Proteus軟件對電路的邏輯功能進行仿真，從實驗角度驗證了由門電路、譯碼器和數據選擇器三種設計方案的正確性，同時證明了在組合邏輯電路設計步驟中，邏輯函數表達式和邏輯圖并不是唯一的，但真值表和邏輯功能卻是相同的。因此，組合邏輯電路設計的方法非常靈活，究竟選擇哪種方法來設計組合邏輯電路，還要根據實際情況來定。如果電路系統比較簡單，可以采用門電路設計，這樣電路成本低，設計又比較靈活。對于比較復雜的電路系統，可采用譯碼器、數據選擇器設計，可以減少元器件的數量，降低成本和功耗，提高速度和抗干擾力，缺點就是靈活性比門電路要差些。

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

[2] 王瑾.基于Proteus的數字電壓表仿真設計[J].電子設計工程，2013,21(1)：122-124.

[3] 卜錫濱.數字電子技術[M].北京：中國水利水電出版社，2011:56-99.

[4] 潘益玲.基于Proteus的籃球競賽30秒計時器的設計與仿真[J].深圳職業技術學院學報，2008,7(4)：27-31.

Design and Simulation of Voter Circuitin Weightlifting Match Based on Proteus

JIAXiu-ling1，YAOCong1，ZHANGBao-hua2

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege,Chuzhou239000,China；2.ChangjiCollege,Changji831100,China)

Combinatorial logic circuit design is a key content of digital circuit course teaching. In the project course teaching reform, the design of weight controller is used as the project carrier. We use different circuit design methods to realize the circuit function. At the same time, we use Proteus software to simulate the function of design circuits, and then compare the advantages and defects of these designs to sum up the design ideas and methods of combination of logic circuit. These ideas and methods can facilitate students to learn and master the main points of combinational logic circuit.

Proteus software; weightlifting match; circuit design and simulation

2017-01-17

安徽省質量工程(2015jyxm519，2015jxtd069，2016gkk019)；安徽省教育廳項目(KJ2012Z299)；國家數字化資源中心實驗資源征集項目(syzy2015005)；滁州職業技術學院院級質量工程(zlgc2015034,zlgc2016010)；昌吉學院院級課題(14jyyb006)

賈秀玲(1979-)，女，博士，滁州職業技術學院信息工程系講師，研究方向：電路設計及應用。

TP368

A

1674-3229(2017)02-0025-06