Proteus在數(shù)字電子設(shè)計(jì)中的仿真應(yīng)用

胡輝

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，河南商丘476100）

現(xiàn)在的電路多采用大規(guī)模集成芯片，焊接工藝的要求高，檢測數(shù)據(jù)多，需要儀器數(shù)量多。傳統(tǒng)的數(shù)字電子設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)需要通過：查閱技術(shù)資料——電路元件參數(shù)的計(jì)算——實(shí)際電路的焊接搭建——儀器儀表的檢測調(diào)試——出現(xiàn)問題后重新返工。從設(shè)計(jì)到應(yīng)用的周期比較長，成本也比較高。而利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)后，能將上述的設(shè)計(jì)步驟大大簡化，Proteus這款仿真軟件是電子設(shè)計(jì)中常用的一款工具，它可以將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟搬到計(jì)算機(jī)上，在計(jì)算機(jī)上完成元件的選取，圖紙的繪制，參數(shù)的設(shè)置，電路的檢測，數(shù)據(jù)的在線更改，電路的仿真應(yīng)用。在電子設(shè)計(jì)過程中節(jié)省了技術(shù)人員的設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，受到行業(yè)內(nèi)的廣泛推廣和應(yīng)用[1]。本文通過對Proteus仿真應(yīng)用，將數(shù)字電路中的555時(shí)基電路、24秒倒計(jì)時(shí)電路、搶答器電路、數(shù)字鐘電路四個(gè)電路進(jìn)行仿真分析，這四個(gè)典型數(shù)字電路可以將數(shù)字電子技術(shù)當(dāng)中的組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生與整形電路大部分核心知識(shí)進(jìn)行融合，根據(jù)軟件的特點(diǎn)把數(shù)字電路的理論與實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合，提高了電路設(shè)計(jì)的效率，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者對數(shù)字電路設(shè)計(jì)的興趣。

1 數(shù)字電路中Proteus仿真電路的經(jīng)典案例

1.1 時(shí)基電路仿真應(yīng)用分析

繪制電路時(shí)打開Proteus，在打開的界面里找到按鈕P，單擊按鈕P選擇如圖1所示的元件，并按照圖示連接電路，將電源V1設(shè)置為12V，R1設(shè)置為5K，R2設(shè)置為50K，C1設(shè)置為0.01μF，C2設(shè)置為1μF。打開Proteus主界面，從工具欄中選擇虛擬儀表模式圖標(biāo)，從中選擇示波器（OSCILLOSCOPE）圖標(biāo)，放置到界面中，根據(jù)圖示將A、B兩信號通道分別連接到信號輸出端和芯片重置端。

圖1 用555構(gòu)成的多諧振蕩器

用555構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，連好電路并運(yùn)行，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器即可觀察到電路的振蕩波形。改變R1、R2和C1的值可改變振蕩器的振蕩頻率。用示波器測量電路的振蕩周期，并與理論計(jì)算值相比，其周期計(jì)算公式為：

改變電阻R1、R2的值還可改變振蕩波形的占空比，其占空比計(jì)算公式為：

振蕩周期與占空比的測量，可選中示波器面板中的光標(biāo)（Cursors）按鈕，用光標(biāo)測量。需要注意的是，示波器屏幕中間的白虛線是時(shí)間起點(diǎn)線。

圖2是在R1=R2=5k，C2=1uF時(shí)的振蕩波形測量結(jié)果。

圖2 周期及占空比的測量

不需其它器件即可用555構(gòu)成最簡單的施密特觸發(fā)器，如圖3所示。

圖3 用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

運(yùn)行電路，使信號發(fā)生器固定于某個(gè)頻率，同時(shí)單擊信號發(fā)生器控制面板右下角的Polarity（極性）按鈕，使綠色的Uni指示燈點(diǎn)亮，然后調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出幅度，直到示波器的A通道出現(xiàn)波形，再調(diào)節(jié)示波器使其顯示的波形合適，以便于回差電壓的測量。

圖4顯示的是關(guān)閉示波器B通道和C通道后，將D通道波形調(diào)到上部，A通道波形調(diào)到下部后的顯示結(jié)果，圖中下邊為對應(yīng)的信號發(fā)生器的設(shè)置。

圖4 施密特觸發(fā)器的運(yùn)行結(jié)果

示波器的顯示方式設(shè)置為D/A方式，運(yùn)行電路可直接由示波器觀察到施密特電路的電壓傳輸特性并可方便地測量，如圖5所示。

圖5 示波器的顯示方式設(shè)置為D/A

1.2 倒計(jì)時(shí)電路仿真分析

本電路是模擬籃球比賽中的一次24秒進(jìn)攻倒計(jì)時(shí)，電路由兩個(gè)十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74192芯片、兩個(gè)7段LED數(shù)碼管、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)與門、兩個(gè)按鍵和一個(gè)電阻構(gòu)成。

按圖6所示繪制倒計(jì)時(shí)仿真電路，圖中數(shù)碼管的元件名稱是7SEG-BCD，按鍵開關(guān)的元件名稱是BUTTON，在元件庫中有兩個(gè)蜂鳴器（BUZZER），注意要選擇能夠使電腦聲卡發(fā)聲的直流蜂鳴器，其它元件名稱見圖中所示。

圖6 倒計(jì)時(shí)模擬電路

蜂鳴器（BUZZER）的Operating Voltage（工作電壓）設(shè)置為5V或4V，Load Resistance（負(fù)載電阻）設(shè)置為120以上，例如1200，否則，不能發(fā)聲；信號源采用DCLOCK（數(shù)字時(shí)鐘信號發(fā)生器），頻率設(shè)置為1Hz。

運(yùn)行電路，按圖中所設(shè)，S1應(yīng)能起到復(fù)位（數(shù)碼管顯示24）和開始運(yùn)行的作用，S2應(yīng)能起到暫停和繼續(xù)計(jì)時(shí)的作用，24秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后蜂鳴器持續(xù)發(fā)出聲響。

改變74192的D0、D1、D2、D3四個(gè)端子與電源和地的連接，可改變定時(shí)時(shí)間。試將定時(shí)時(shí)間設(shè)為30秒或60秒等。將下邊74192的4、5兩腳接線互換，即DN接電源、UP接與門的輸出，同時(shí)將接到13腳TCD端的連線改接到12腳TCU端。再次運(yùn)行電路，可觀察計(jì)數(shù)顯示其它變化。查看74192的真值表，與上述仿真結(jié)果對照并按真值表驗(yàn)證74192的其它功能[2]。

1.3 搶答器電路仿真分析

搶答器電路由一塊8-3線優(yōu)先編碼器4532和一塊4位雙穩(wěn)態(tài)鎖存器7475為核心元件，9個(gè)按鍵、一個(gè)排阻、一個(gè)蜂鳴器、兩個(gè)電阻和四個(gè)二極管及一個(gè)七段數(shù)碼管構(gòu)成。電路原理是若干人參加智力競賽，搶答開始前，由主持人按下復(fù)位開關(guān)，使數(shù)碼管顯示為0。

圖7所示為8路搶答器原理電路，圖中PR1為排阻，內(nèi)部有8個(gè)獨(dú)立的電阻，其中一個(gè)引腳全部連接在一起作為公共端，由第1腳引出，其它元件，見圖中所示。

圖7 路搶答器原理電路仿真測試

圖中有多條相同長度的連線，如PR1與U1間的連線和按鍵開關(guān)與電源間的連線等，對于這些等長的導(dǎo)線，可以采用快速連接法連接，方法是：先連接一條，剩下的直接在要連接的引腳端雙擊左鍵就行。

運(yùn)行電路，驗(yàn)證各按鍵的作用，其中S0鍵為復(fù)位鍵，由主持人控制，S1～S8分別由8組參賽者控制。在電路運(yùn)行時(shí)，通過各個(gè)引腳端的紅藍(lán)色塊指示可以了解其邏輯狀態(tài)，并可以驗(yàn)證電路的邏輯功能。

當(dāng)主持人宣布開始，首先做出判斷的參賽者按下按鍵，經(jīng)4532編碼和7475鎖存使數(shù)碼管顯示搶答的組別，并發(fā)出聲音提示。在搶答者按鍵按下的同時(shí)，4532的GS輸出為高電平1，使7475的Q0非由1變?yōu)?，E0～E3也變?yōu)?，從而使7475處于鎖存狀態(tài)，不再接收其它信號，直到主持人再次復(fù)位為止[3]。

在電路中可以分析并驗(yàn)證電路是如何將按鍵S8的輸入變?yōu)閿?shù)字“8” 顯示的，并實(shí)現(xiàn)7475是鎖存信號，同時(shí)可在規(guī)定時(shí)間后使各參賽者的按鍵失效，在電路一直處于復(fù)位狀態(tài)下，驗(yàn)證4532的優(yōu)先編碼作用。實(shí)際使用的數(shù)碼管一般是不帶譯碼電路的，使用專用的驅(qū)動(dòng)電路才能驅(qū)動(dòng)7個(gè)引腳對應(yīng)7段共陰或共陽LED數(shù)碼管。

1.4 數(shù)字鐘電路仿真分析

數(shù)字鐘電路主要由7位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器4024、BCD碼轉(zhuǎn)七段的譯碼器/驅(qū)動(dòng)器4543及四2輸入與門4081為核心，實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)方法。用數(shù)字時(shí)鐘信號發(fā)生器（DCLOCK）產(chǎn)生秒信號，由4081配合4024完成各種進(jìn)制計(jì)數(shù)編碼，送與4543完成7段譯碼并驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，類似的4個(gè)部分組成能顯示時(shí)、分的數(shù)字鐘。

在模式選擇工具欄中選擇子電路模式，然后在原理圖編輯區(qū)拉出一個(gè)矩形框作為子電路主體，可命名為“DRV0” 。

將光標(biāo)移動(dòng)到矩形框上變?yōu)槭中突蜻x中矩形框，按組合鍵Ctrl+C或PageDown鍵及右鍵菜單等操作方法切換到子電路頁面，在子電路頁面中繪制圖8所示的子電路原理圖。

圖8 子電路原理圖

圖8中左邊的CLK和R為終端接口模式（Terminals Mode）中的INPUT端口，下邊的Q1～Q4以及右邊的D0～D6為OUTPUT端口，導(dǎo)線可采用搶答器電路繪制中的等長導(dǎo)線快速連接法連接。

端口的名稱采用屬性分配工具快速批量命名，具體方法是：按鍵盤上的A鍵或選擇主工具欄中的Property Assignment Tool圖標(biāo)，如圖9所示在彈出的屬性分配工具對話框中，將String欄中的內(nèi)容改為“net=D#” 或“net=Q#” 等，當(dāng)確認(rèn)后在光標(biāo)移動(dòng)到對應(yīng)端口或相關(guān)地方時(shí)，會(huì)變?yōu)閹в芯G色方塊的手型，依次單擊即可將各個(gè)端口自動(dòng)序號分配系列名稱，如圖10所示。

圖9 屬性分配工具的設(shè)置

圖10 端口設(shè)置應(yīng)用

再次按鍵盤上的A鍵可以重新從0開始自動(dòng)序號，不想從0開始，修改屬性分配工具對話框中Count欄的數(shù)字即可，要退出自動(dòng)序號狀態(tài)，選擇一下模式選擇工具欄中的另一種模式或者按A鍵選擇屬性分配工具對話框中的取消（Cancel）按鈕。

子電路原理圖繪制完成后，按組合鍵Ctrl+X或PageUp切換到主電路頁面，并確認(rèn)頁面處于子電路模式下，在子電路主體的左邊和右邊放置與子電路對應(yīng)的INPUT或OUTPUT端口，全部放置完端口后，用屬性分配工具（Property Assignment Tool）給各個(gè)端口命名。

選擇7段共陽數(shù)碼管7SEG-COMANODE作為顯示器件，并使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號作為連接方式，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的命名同樣可用屬性分配工具完成，繪制好的基本單元電路如圖11所示。

圖11 數(shù)字鐘基本電路

添加時(shí)鐘和電壓探針，使用圖表模式（Graph Mode）中的數(shù)字分析（DIGITAL）或一致性分析（CONFORMANCE），將其停止時(shí)間（Stop time）修改為30，按空格鍵可以得到各端口的時(shí)序波形圖，如圖12所示。改變4081與Q1～Q4間的連接，可以得到時(shí)鐘頻率的不同分頻，即可使數(shù)碼管顯示0～6之外的任意循環(huán)顯示。

圖12 端口時(shí)序波形圖

框選基本單元電路，在右鍵菜單中選擇Block Copy（塊復(fù)制），選取合適距離和位置依次放置3個(gè)基本單元電路的復(fù)制圖。

利用屬性分配工具將子電路與數(shù)碼管的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號直接修改為D10～D16、D20～D26和D30～D36，改變4081與Q1～Q4間的連接，并連接各基本單元電路間的時(shí)鐘進(jìn)位信號連線，其它修改按圖中所標(biāo)，完成后的電路如圖13所示。

圖13 60進(jìn)制及24進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理電路（數(shù)字鐘）

2 Proteus仿真數(shù)字電路效果分析

2.1 直觀

相對于傳統(tǒng)是數(shù)字電子設(shè)計(jì)，Proteus仿真能夠更好地帶來直觀的視覺效果。通過各種元器件的調(diào)用，設(shè)備儀器的調(diào)試，能夠直接看到設(shè)計(jì)的電路是否有問題，能夠驗(yàn)證理論，及時(shí)調(diào)整元件參數(shù)，設(shè)置儀器儀表的參數(shù)，改變電路中元件的規(guī)格，看到電路驗(yàn)證的結(jié)果。

2.2 便于學(xué)習(xí)者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)課堂學(xué)習(xí)

受新冠疫情影響，數(shù)字電子技術(shù)的課程教學(xué)在網(wǎng)上進(jìn)行授課將成為常態(tài)化，學(xué)習(xí)者在上網(wǎng)課之后不能有效地進(jìn)行數(shù)字電路的實(shí)踐，利用Proteus將數(shù)字電路中的知識(shí)進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)，同樣可以使學(xué)習(xí)者對數(shù)字電子設(shè)計(jì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)更加透徹，可以不受時(shí)間和地方的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，實(shí)踐練習(xí)比較方便。

2.3 降低實(shí)踐成本，節(jié)約時(shí)間

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式需要從原理設(shè)計(jì)，電路制作，電路調(diào)試、驗(yàn)證，有問題需要重新返工，反復(fù)多次才有可能實(shí)踐成功，耗材成本和時(shí)間成本都比較高，利用Proteus來進(jìn)行仿真，只需要從軟件的元件庫中調(diào)用元件和儀器儀表，元件和儀器儀表與真實(shí)的參數(shù)基本一致，從而節(jié)省實(shí)際耗材，電路的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證調(diào)試所用的時(shí)間也比較少，返工操作只需要在軟件上更換元件或調(diào)整元件參數(shù)即可，簡化了設(shè)計(jì)實(shí)踐的過程，也不用擔(dān)心元件的損壞，設(shè)計(jì)效率得到了大大提高。

3 Proteus仿真促進(jìn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程的改革

3.1 考核知識(shí)層次

利用Proteus軟件對數(shù)字電路中典型電路進(jìn)行仿真，考核學(xué)習(xí)者對數(shù)字電路中基礎(chǔ)知識(shí)的了解和掌握程度。

時(shí)基電路主要由555時(shí)基芯片為中心，它是將數(shù)字電路和模擬電路結(jié)合在一起，在相應(yīng)管腳配備電阻、電容構(gòu)成，設(shè)置不同參數(shù)會(huì)得到不同脈沖信號，能夠完成定時(shí)、產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)和時(shí)延功能的集成電路。在生活中廣泛應(yīng)用于兒童電子玩具、家用電子產(chǎn)品、電工電子設(shè)備中。在數(shù)字電子技術(shù)中利用其不同組合，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)器、施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路的設(shè)計(jì)與制作，產(chǎn)生多種波形供設(shè)計(jì)進(jìn)行參考與測試。

倒計(jì)時(shí)電路結(jié)合實(shí)際生活中籃球進(jìn)攻倒計(jì)時(shí)電路，將時(shí)序邏輯電路中的計(jì)數(shù)器電路與基礎(chǔ)與門電路及數(shù)碼顯示電路有機(jī)地進(jìn)行結(jié)合，將電路的實(shí)際應(yīng)用與數(shù)字電路單元知識(shí)相結(jié)合，拓寬學(xué)習(xí)者的數(shù)字電子技術(shù)的視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

搶答器電路在生活中應(yīng)用非常廣泛，它將組合邏輯電路中的編碼電路和觸發(fā)器中鎖存器及數(shù)碼顯示電路進(jìn)行結(jié)合，將組合邏輯電路中的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐生活當(dāng)中，讓學(xué)習(xí)者掌握組合邏輯電路的原理，了解其應(yīng)用場合，掌握組合邏輯電路集成芯片管腳的設(shè)置方法。

數(shù)字鐘電路是利用BCD碼轉(zhuǎn)七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器和7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器及四2輸入與門電路進(jìn)行結(jié)合，將數(shù)字電路中的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了綜合運(yùn)用。

3.2 學(xué)習(xí)者接受度

傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程的授課形式是教師講，學(xué)生聽，需要驗(yàn)證理論時(shí)利用實(shí)驗(yàn)箱設(shè)置固定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，驗(yàn)證普通單元電路，需要的時(shí)間周期比較長，設(shè)備的老化及工作臺(tái)的限制，使許多學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)處于“打醬油” 的應(yīng)付狀態(tài)，數(shù)字電路的實(shí)習(xí)也是流于形式，提不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將Proteus仿真軟件引入數(shù)字電路設(shè)計(jì)的課堂中，在講課的過程中將典型的數(shù)字電路案例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生進(jìn)行演示，并將軟件的操作方法授予學(xué)生，作為數(shù)字電路課程教學(xué)的輔助工具，使數(shù)字電路課程不再抽象和枯燥，提升學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路的興趣，使學(xué)生也可以在課上和課下進(jìn)行仿真操作，無形中增加了學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的有效時(shí)間，使學(xué)生的聽課效果得到大大的改善。

3.3 Proteus仿真培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字電路設(shè)計(jì)的認(rèn)知度

數(shù)字電路的學(xué)習(xí)過程中，會(huì)遇到各種各樣型號的元器件，每一種元器件都有自身的特點(diǎn)，不同的電路會(huì)由不同的元器件來進(jìn)行搭建。認(rèn)識(shí)并熟悉數(shù)字電路中的各種元器件就像了解人體系統(tǒng)的各個(gè)器官的功能一樣，Proteus軟件中有數(shù)字電路中用到的各種元器件。通過軟件的調(diào)用、設(shè)置、更換、搭建不同的電路，不同設(shè)備儀器的操作應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)字電路認(rèn)識(shí)，對數(shù)字電路中各種元件的掌握及不同設(shè)備儀器的操作，達(dá)到促進(jìn)數(shù)字電路教學(xué)創(chuàng)新的目的。

4 結(jié)束語

數(shù)字電路設(shè)計(jì)應(yīng)用Proteus進(jìn)行仿真測試，可以解決課程中實(shí)驗(yàn)問題，節(jié)省電路制作、參數(shù)修改、電路調(diào)試的過程，為設(shè)計(jì)者即時(shí)提供需要的數(shù)據(jù)、波形等分析。在課程實(shí)踐教學(xué)和電路設(shè)計(jì)應(yīng)用方面起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)也推動(dòng)了數(shù)字電路課程改革創(chuàng)新的步伐[4]，提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。