Proteus在《數(shù)字邏輯電路》課程教學中的應用

王華本　朱良月　鹿建銀

摘 要

隨著集成電路的發(fā)展，計算機各個專業(yè)所涉及的硬件類的課程也越來越重要，但學生整體掌握的情況不是很好，為了提高教學質(zhì)量，本文在《數(shù)字邏輯電路》課程中加入Proteus仿真教學，把課堂教學過程中的難以理解的知識點理論教學后，再用Proteus進行仿真，讓學生真正理解所學內(nèi)容。拓寬學生學習的知識邊界，提高學生理論融合實踐的技能，掌握電路的設計方法，有助于培養(yǎng)養(yǎng)學生綜合分析能力以及創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。

關鍵詞

集成電路;Proteus;仿真教學

中圖分類號： TN791-4;G642 ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.19

0 綜述

Proteus是一個巨大的教學資源，Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。《數(shù)字邏輯電路》課程中所遇到的元器件在Proteus很容易找到?！稊?shù)字邏輯電路》課程中主要就是兩大電路：組合邏輯電路、時序邏輯電路。組合邏輯電路的基本單元電路是與門電路、或門電路、非門電路，對應Proteus如圖1所示：從圖中很清楚地看到與門電路74LS08管腳的分布，上面集成有4個與門，共有14個管腳，其中7腳接地（GND），14腳接電源（VCC）。

組成時序邏輯電路的單元電路主要是觸發(fā)器，最常見的是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器，如圖2所示：

《數(shù)字邏輯電路》課程中的兩大電路：組合邏輯電路、時序邏輯電路，講授課程時，必須先把基本單元電路原理講清楚，并借助Proteus仿真平臺，讓學生加以理解和消化，這樣就很容易化難為易。

1 門電路

《數(shù)字邏輯電路》中基本的門電路：與、或、非最基本的三種門電路，也是構(gòu)成組合邏輯電路的單元電路，講解過程中穿插Proteus仿真進行輔助理解和學習。譬如講到最簡單的與門，可以使用芯片74ls08，同樣可以輸入關鍵字and，就可以找到對應的與門符號，為了驗證與門功能，還需要添加輸入控制端LogicState，輸出端LogicProbe，仿真電路如圖3所示。

這樣從圖3中就能很輕松地總結(jié)出與門電路的功能：有零出零，全1出1。同學們學習、理解就非常輕松。并可以類推出其他門電路的功能。

2 組合邏輯電路

組合邏輯電路的輸出是由輸入決定的，電路沒有記憶功能，電路結(jié)構(gòu)相對來說是比較簡單的，但在具體講解譯碼器功能時，發(fā)現(xiàn)學生的理解仍然存在障礙，特別對于低電平有效，學生無法把函數(shù)表達式與功能一一對應。引入Proteus仿真后，把譯碼器74ls138分三個模塊進行知識的講解：輸入端、使能控制端、輸出端。首先讓同學們理解使能控制端的作用，何時禁止譯碼;何時芯片開始工作但是還沒有接到譯碼信號;何時開始真正譯碼工作。如圖4所示：譯碼器74ls138功能的仿真圖可知，輸入端A、B、C;使能控制端E1、E2、E3、輸出端Y0～Y7。從芯片仿真圖可知，使能控制端E1、E2、E3所加信號為1、0、0時，芯片開啟工作模式，輸出端Y0～Y7全部是低電平有效。這樣講解以后發(fā)現(xiàn)90%以上的學生能很快理解原理，并能用74ls138和門電路進行電路的設計一個電路，實現(xiàn)全加器的功能，如圖5所示。

3 觸發(fā)器

觸發(fā)器是同步雙穩(wěn)態(tài)器件，也稱為雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的單元電路，主要的是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器兩種，仿真元件的代表是74ls74、74ls112。D觸發(fā)器的輸出在CP脈沖的作用下和輸入時一樣的，這里的初態(tài)的設置同學們很難理解，其實就是觸發(fā)器的R端和S端，這兩個端一個清零，另外一個置1，初態(tài)設置好以后，觸發(fā)器正常工作時候，觸發(fā)器的R端和S端必須置1。

D觸發(fā)器的仿真圖中很容易得出如表1所示的D觸發(fā)器的功能真值表，清零，置1，輸入與輸出保持一致。

通過Proteus仿真，能將難懂的原理通過仿真電路來實現(xiàn)功能，在整個教學的過程中不用擔心元器件的損耗，也不用擔心內(nèi)部電路導線接觸不良，結(jié)果無法正常顯示。學生可以在自己的電腦上安裝Proteus，課下可以多次訓練，以掌握知識的要領，進一步理解原理，這樣到固定的實驗室做實驗時候，就能做到心中有數(shù)，不再手忙腳亂，真正的實物實踐和仿真實踐是由差異的，但先通過仿真，同學們就能在理解原理的基礎上快速完成實踐，真正的實物實驗有好多因素導致實驗無法顯示正確的結(jié)果。譬如電路板焊點脫落，芯片損壞，實驗平臺上面固定的元器件損壞等等這些因素都會導致實驗結(jié)果無法正常顯示。學生在這種情形下就會喪失學習的信心。而此時的Proteus就恰到好處地彌補了這個缺失。JK觸發(fā)器74ls112的仿真圖如圖7所示。

從仿真電路圖中可以看出JK觸發(fā)器只有4種情況：00、01、10、11，但這里面有一個初始狀態(tài)的設定，每一種情況初始狀態(tài)可以為0，也可以為1，還有開始時的清零和置1，總而言之，共有10種情況，如果不借助Proteus仿真，學生可能要云里霧里，上課的過程中，借助Proteus仿真就可以很輕松把這10種情況講解清楚，這樣水到渠成地從JK觸發(fā)器的仿真圖中得出如表2所示的JK觸發(fā)器的功能真值表，并總結(jié)出JK觸發(fā)器的規(guī)律：00保持，相異從J，11翻轉(zhuǎn)。對于JK觸發(fā)器的功能學生只要記住這3句話，12字就可以，以后在設計時序邏輯電路的時候用到驅(qū)動表也是從此得出的。

4 時序邏輯電路

時序邏輯電路相對來說比較復雜，移位寄存器仿真電路圖如8所示：電路構(gòu)成單元是4個D觸發(fā)器，通過仿真實驗很容易得出移位寄存器狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表。如表3所示。

5 結(jié)語

Proteus在《數(shù)字邏輯電路》課程教學中的應用，恰到好處地補充了硬件電路在實物實踐的不足，同時增添了學生學習的樂趣，拓寬同學們學習的知識邊界，培養(yǎng)學生自主學習的能力，提升了同學們綜合應用知識的進行分析和解決問題的能力。

參考文獻

[1]李滿園，吳國璽.風景園林設計雙語課程設計與評價[J].大學教育，2019（10）：66-68.

[2]郭明，樓丹，吳榮暉，周建鐘，李銘慧，夏琪涵，文先紅.混合式教學模式下儀器分析雙語教學探究[J].化學教育（中英文），2019，40（18）：23-28.

[3]彭慧春，趙紅濤，李繼清.基于高校雙一流學科建設需求的工程數(shù)學雙語教學研究[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（75）：290-292.

[4]丁淑妍，李世寶，顧麗紅.融合CDIO的數(shù)字邏輯實驗教學改革探索[J].教育教學論壇，2019（25）：136-137.

[5]肖杰，李強，龍勝春，胡海根，盧書芳.數(shù)字邏輯電路課程設計實驗教學改革與實踐[J].計算機教育，2018（05）：71-75.

[6]趙超櫻.新工科背景下研究生課程《量子光學》的雙語教學模式探索[J].課程教育研究，2018（49）：256.

[7]王華本，鹿建銀，史先桂，朱良月.IT創(chuàng)新實驗班卡諾圖的教學研究與分析[J].赤峰學院學報（自然科學版），2013，29（05）：232-234.

[8]王華本，鹿建銀，朱良月.“數(shù)字邏輯”課程教學模式改革探索與實踐[J].長春理工大學學報，2013，8（04）：204-205.