PROTEUS仿真軟件在《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

佘新平 (長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

PROTEUS仿真軟件在《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

佘新平 (長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

介紹了PROTEUS仿真軟件的基本功能和特點(diǎn)，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐探討了PROTEUS仿真軟件在《數(shù)字電子技術(shù)》課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)果表明，在《數(shù)字電子技術(shù)》的不同教學(xué)環(huán)節(jié)中引入PROTEUS仿真軟件，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以為提高《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)質(zhì)量提供幫助。

PROTEUS仿真軟件；《數(shù)字電子技術(shù)》；理論教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《數(shù)字電子技術(shù)》是高校電類(lèi)專業(yè)和部分非電類(lèi)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程具有十分重要的作用。為了提高教學(xué)質(zhì)量，筆者將PROTEUS仿真軟件引入到該課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 PROTEUS仿真軟件概述

PROTEUS嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)由英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)[1]。作為一款先進(jìn)的EDA工具軟件，其具有如下特點(diǎn)：包含ISIS.EXE(電路原理圖設(shè)計(jì)、電路原理仿真)和ARES.EXE(印刷電路版設(shè)計(jì))2個(gè)主要程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分立元件進(jìn)行仿真，還可對(duì)電路原理進(jìn)行仿真；利用箭頭和顏色表示電流的方向與大小，并且對(duì)多種帶CPU的可編程邏輯器件進(jìn)行仿真；不僅可做電路原理、模擬電路、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，也可做單片機(jī)與接口等綜合系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。此外，PROTEUS電路原理圖設(shè)計(jì)中，電路激勵(lì)源、虛擬儀器(示波器、信號(hào)源等)、圖表以及直接布置在線路上的探針一起出現(xiàn)在電路中，能夠幫助完成電路的仿真和測(cè)試，方便分析和修改電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，電路設(shè)計(jì)具有友好的人機(jī)交互界面，而且設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，使用方便，易于上手。

2 PROTEUS仿真軟件在理論教學(xué)中的應(yīng)用

《數(shù)字電子技術(shù)》課程實(shí)踐性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛[2]。在課堂教學(xué)過(guò)程中，適時(shí)地利用PROTEUS軟件對(duì)一些理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真演示，可以幫助學(xué)生較快地理解和掌握那些用傳統(tǒng)的教學(xué)手段難以表現(xiàn)的內(nèi)容，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果。下面以數(shù)字器件的仿真演示為例加以說(shuō)明。

圖1 74LS373與74LS374仿真圖

圖2 74LS373與74LS374在相同輸入信號(hào)和控制信號(hào)作用下的輸出仿真結(jié)果圖

在《數(shù)字電子技術(shù)》課程理論教學(xué)過(guò)程中，有大量的數(shù)字集成電路器件需要介紹，如編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器等。在課堂講授時(shí)，首先簡(jiǎn)單介紹該集成電路的引腳圖、真值表(或功能表)，讓學(xué)生大致了解該集成電路的功能，然后利用PROTEUS軟件對(duì)該器件各引腳的功能進(jìn)行仿真演示，其呈現(xiàn)的結(jié)果一目了然，使得學(xué)生在接受理論知識(shí)后有一個(gè)非常深刻的感性認(rèn)識(shí)。例如，在講授鎖存器和觸發(fā)器時(shí)，有2種易于混淆的器件74LS373和74LS374，前者為三態(tài)輸出的八D鎖存器，后者為三態(tài)輸出的八D邊沿觸發(fā)器。從功能上講，74LS373是電平觸發(fā)鎖存，即鎖存控制端LE為高電平“1”時(shí)，輸出與輸入相同，此時(shí)為“透明傳輸”，當(dāng)鎖存控制端LE變?yōu)榈碗娖健?”時(shí)，輸出保持LE由高變低之前瞬間的輸入不變，直到LE端再次變?yōu)楦唠娖綖橹梗藭r(shí)起鎖存作用；74LS374是上升邊沿觸發(fā)鎖存，即當(dāng)鎖存控制端CLK有上升邊沿到來(lái)時(shí)，其輸出保持上升邊沿前瞬間的輸入不變，直到下一個(gè)上升邊沿到來(lái)為止，此時(shí)起鎖存作用。為了使學(xué)生理解2者在功能上的區(qū)別，可以通過(guò)PROTEUS軟件進(jìn)行仿真演示(見(jiàn)圖1)。2者在相同輸入信號(hào)和控制信號(hào)作用下的輸出結(jié)果如圖2所示(U1為輸入信號(hào)D0；U2為鎖存控制信號(hào)LE或CLK；U3為74LS373的輸出信號(hào)Q0；U4為74LS374的輸出信號(hào)Q0)。由于該仿真結(jié)果簡(jiǎn)單直觀，學(xué)生可以很好地理解74LS373和74LS374在功能上的區(qū)別。

3 PROTEUS仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在《數(shù)字電子技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[3]?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)(如集成邏輯門(mén)實(shí)驗(yàn))一般采取實(shí)際操作的形式，而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)則分為理論設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)際操作3個(gè)階段，其中仿真階段起著重要的作用。一方面，通過(guò)仿真可以對(duì)理論設(shè)計(jì)進(jìn)行多次修改，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性，從而提高理論設(shè)計(jì)的效率。另一方面，在實(shí)際操作之前，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)出的電路進(jìn)行仿真，可以幫助學(xué)生熟悉電路功能，提前了解電路可能出現(xiàn)的故障及解決辦法。下面以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“彩燈控制電路”為例加以說(shuō)明。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求使用集成計(jì)數(shù)器74LS161、譯碼器74LS138和門(mén)電路設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制電路，且8只彩燈中只有1只燈亮，同時(shí)該亮燈可以循環(huán)移動(dòng)。為此確定理論設(shè)計(jì)方案如下：用集成計(jì)數(shù)器74LS161和門(mén)電路構(gòu)成八進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，據(jù)此產(chǎn)生000～111的八組3位二進(jìn)制代碼；將該代碼作為譯碼器74LS138的輸入，其8個(gè)輸出端分別接8只彩燈即可。采用PROTEUS軟件進(jìn)行仿真(見(jiàn)圖3)。從圖3可以看出，亮燈從上向下循環(huán)移動(dòng)，通過(guò)改變計(jì)數(shù)器74LS161的時(shí)鐘信號(hào)CLK的頻率，可以改變亮燈移動(dòng)的快慢；通過(guò)將74LS161的輸出端Q2Q1Q0反相后輸出到譯碼器74LS138，可以使亮燈從下向上循環(huán)移動(dòng)，即改變循環(huán)移動(dòng)的方向。此外，學(xué)生還可以很容易觀察到可能發(fā)生的故障現(xiàn)象。如當(dāng)計(jì)數(shù)器74LS161的時(shí)鐘信號(hào)CLK消失時(shí)，亮燈不移動(dòng)；當(dāng)譯碼器74LS138得控制端信號(hào)E1、E2、E3不為1、0、0時(shí)，彩燈全滅。所有這些為下一步的實(shí)做實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖3 彩燈控制電路仿真結(jié)果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

在《數(shù)字電子技術(shù)》課程的不同教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)引入PROTEUS軟件的仿真，有效地延伸了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠深刻理解基本理論知識(shí)，對(duì)提高《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)質(zhì)量起到了很好的促進(jìn)作用。

[1]朱清慧,張風(fēng)蕊，翟天嵩,等.Proteus教程—電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]佘新平.數(shù)字電路設(shè)計(jì)·仿真·測(cè)試[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2010.

2013-08-21

佘新平(1964-)，男，碩士,副教授，現(xiàn)主要從事電工電子方面的教學(xué)和研究工作。

N4

A

1673-1409(2013)28-0124-03

[編輯] 李啟棟