用Proteus 仿真软件进行数字电路课程设计

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摘要：本文阐述了在数字电路课程教学中，运用 proteus 仿真软件对数字电路进行仿真设计与调试的教学实例。运用该软件可以节省电子元器件的消耗，同时填补了仪器缺发的缺点，缩短了电路设计制作过程中的调试时间，教学效果得到明显改善。

关键词：Proteus仿真软件；555时基电路；D触发器；编码器；译码器

一、引言

数字电路课程设计是电子专业类脉冲与数字电路课程的一个综合运用，遵循中职“做中学、做中教，理实一体化”的指导思想，在这门课程的教学过程中，笔者采用了抢答器的设计来进行这门课程的课程设计，通过完成这个课程设计来提高学生的知识整合能力。因此，我们需要一种形式多样、色彩丰富、能满足学生动手欲望的教学方式，在教学中笔者引入了仿真技术进行教学。通过仿真，学生不仅整合了脉冲与数字电路知识，也提高了自己分析电路故障、了解电路工作原理的能力，为后续课程的学习提供了有力的保证。

二、PROTEUS仿真软件的介绍

现代计算机应用技术的高速发展，催生了多种应用于电子电路设计的仿真软件，Proteus软件就是其中很成功的一种。该仿真软件具有以下功能特点：

（一）组成。

包括ISIS、ARES 等模块，ARES 模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS 模块用来完成电路原理图的布图与仿真。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其电路组成系统仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等功能；带有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

（二）功能。

Protues可以实现原理图的捕获、电路分析、交互式仿真、电路板设计、仿真测试、射频分析、单片机等高级应用。我们在实际应用中，更多的是使用 Proteus ISIS 模块完成数字电路中原理图的绘制与仿真。是因为它具有以下两大功能特点：

（1）具有强大的原理图绘制功能。它有着直观的操作界面，能方便快捷调整电路参数，Proteus能模拟真实的电路板在通电后工作情况是否正常，并且可以方便快捷的修改电路设计及参数及对电路进行调试，同时可以看到修改参数后的效果。它有着丰富的元器件库、丰富的测试仪器仪表、完备的分析手段、强大的仿真能力、完美的兼容能力，Proteus 能提供数量庞大的电子元件（分立元件和集成电路、模拟和数字电路）的电路符号、仿真模型和外形封装。总之，该软件是一款集单片机和spice分析于一体的仿真软件，功能极其强大。

（2）提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态。同时支持第三方软件绘编译和调试环境，如Keil 51 uVisiin2等软件。

Proteus VSM 的核心是 ProSPICE，这种仿真系统组合了 SPICE3f5 模拟仿真器核和基于快速事件驱动的数字仿真器。它主要的特点是能把微处理器软件作用在处理器上并和连接该微处理器的任何模拟和数字器件协同仿真。SPICE 内核的使用使用户能采用 数目众多的供应厂商提供的SPICE 模型，它界面易学，在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能。这特点针对单片机系统设计极为有利。

三、用PROTEUS仿真软件进行课程设计的应用实例

笔者在课程中引用仿真软件进行这一课程综合设计。下面以项目“四路抢答器”的 Proteus 仿真设计来进行这个课程设计。四路抢答器在PROTEUS7.8环境下设计并仿真，设计电路如图1所示。

该电路包括四个部分：振荡电路、触发锁存电路、编码电路及译码显示电路。电路由NE555、4D触发器74LS175、4个抢答按键、4输入或非门74LS20、2输入与非门74LS00、CD4532编码电路、74LS47译码显示电路、1个清零复位按键和4个发光二极管、一个共阴极数码管组成。抢答开始前，主持人按动“复位”键清零复位，作好抢答准备，抢答队员开始抢答。若“SB1”键按下，对应的指示灯LED1点亮，同时数码管显示“1”，此时，其它按键按下，均不改变显示状态，维持LED1灯亮，1队回答完问题后，开始下一题抢答前，主持人必须按动“复位”健清零。

图1四路抢答整机仿真电路图

（一）单元电路的设计及元器件的选择。

1.555振荡电路。电路如图2所示，采用一块NE555及电阻、电容来实现，它的周期由图中R10、R11以及C1的参数大小决定，它们的关系是T=0.7（R10+2R11）C。这个脉冲信号经3脚输出送到与非门7400的4脚，经6脚送到4D触发器的图2555振荡电路仿真CLK触发端。由于74LS175是D触发器，需要时钟脉冲的上升沿触发，所以电路中使用一片7400，使时序满足触发器的要求。从图2的仿真中可以看出输出信号的频率是14Hz。该设计中取R10及R11的值为1KΩ，电容C1的电容量是33μF，经计算周期大约是69ms，频率是14.4Hz，与仿真得到的数值基本一致。该电路为抢答锁存电路提供一个上升沿触发信号。

2.抢答及锁存电路。

（1）抢答准备。抢答及锁存电路采用D触发器74175、4输入与非门7420、2输入与非门7400构成。接通电源时，输入状态为零，输出显示为零，但由于触发器在电源接通瞬间，输出状态有不确定因素（由于本设计无开机复位电路），所以，在抢答前，主持人必须按一下“复位”键清零，作好抢答前的准备。在没有按下抢答按键的情况下，D触发器输入全部为零，此时无时钟脉冲信号，D触发器仍保持原“0”状态。

（2）抢答按键。四个队分别控制四个抢答按键，对某一个问题进行抢答时，其中一个队按下按键，如“SB1”键，D触发器4脚输入为“1”电平，对应输出2脚为“1”电平，而与其对应的反相输出3脚为“0”电平，为对应的指示及锁存作好了准备。

（3）逻辑电路。555振荡电路为D触发器提供一时钟脉冲的上升沿触发信号。当某一按键如“SB1”键按下，3脚“0”信号加入U2A的一个输入端，其输出“1”，经U3A输出“0”，封锁了上升沿触发信号，也就封锁了其它选手的抢答按键，即使此时有键按下，对D触发器没有影响，不能改变输出指示状态。电路如图3所示。

3.编码电路。

在此电路中采用编码器CD4532来实现，这是八——三编码器，电路如图4所示。输入高电平有效，即在输入数据端出现高电平时进行编码。因为电路只是采用了四路进行抢答，所以在此设计中只采用D1到D4这四个输入，其余没有用到的四个输入端做了接地处理，不能空着也不能接高电平。如果选手按了“SB1”按钮，相应的发光二极管LED1亮，同时CD4532的D1端（11脚）为“1”电平，对应Q2Q1Q0输出为“001”。

图3抢答及锁存电路仿真

图4CD4532编码电路

CD4532编码的原理如表1所示：

表1CD4532逻辑功能真值表

4.译码及显示电路。电路采用译码器74247及共阳数码管构成，电路如图5所示。把编码器的Q2Q1Q0分别与译码器74247的CBA相接，因为本电路只是用到四组抢答，显示的数字只是“1、2、3、4”，对应的编制码是“0001、0010、0011、0100”，所以高位“D”接地，74247是低电平输出有效，它的逻辑功能如表2所示。

表274247逻辑功能真值表

图5七段译码与显示仿真电器

（二）电路的仿真。

1.新建设计文件。打开Proteus ISIS工作界面，选择菜单“文件”——“新建设计”命令，弹出选择模板窗口，从中选择“DEFAULT”模板，单击“确定”按钮。这样一个新的设计文件就建立起来了。

2.元件选择。在画原理图之前，应将电路图中所用元件从库中选择出来从库中选择元件时，可输入所需元件的全称或部分名称，元件拾取窗口可以进行快速查询。本设计要用到的器件有：元件中的555定时器、电阻 Resistor、地线 GROUND、电容 CAP、七段数码显示器、显示译码器74247、与非门 7400、7420、按钮、发光二极管。在模型选择工具栏中选元件（默认），单击 P 按钮，出现挑选元件窗口，筛选出所需器件，双击将其放入元件列表中。

3.放置元件。（1）元件的放置。在元件列表中左键选取某元件，在原理图编辑窗口中单击左键，该元件就到原理图编辑窗口中，同样放置其他各元件。用鼠标右键单击元件会出现该元件的快捷菜单，此快捷菜单中有移动、以各种方式旋转和删除命令。

（2）电源和地的放置。单击元件工具箱中的终端按钮图标：则在对象选择器中显示各种终端，从中挑选出地 GROUND，电源POWER，并在原理图编辑窗口中左击放置到原理图编辑窗口中。

（3）连线。将光标靠近一个对象的引脚末端，该处将自动出现一个红色小方块，单击鼠标左键，拖动鼠标，放在另一个对象的引脚末端，该处再出现一个红色小方块，再单击鼠标左键，就可以在两个引脚间画出一根线来，如果需要拐弯，则只需要拐弯处单击一下鼠标左键即可。

4.仿真运行。电路原理图画好并检查通过后，就可以仿真运行，仿真电路图如图1所示。仿真时，元件引脚上的红色代表高电平，兰色代表低电平，灰色代表悬空。电路中555定时器提供秒脉冲信号，其参数要经过多次调试才能满足设计要求。采用 Proteus 软件仿真的方法体现出了明显的优势。

四、结语

从上述课程设计可以看出，引入仿真技术之后，真正把课堂还给了学生，学生成了教学活动的主角，整个教学活动是学生在教师引导下的实践、总结、分析、讨论，沉闷的课堂变得生动，学生的动手欲望得到了满足，学生的学习热情被充分的调动起来。他们对知识有了较为全面的整合，分析电路故障的能力也有了极大的提高。

同时，通过虚拟实验平台上提供了大量的虚拟仪器和虚拟电子元件供学生使用，激发了学生的创造性，在数字电路课程设计中起到了极其重要的作用。

参考文献：

[1]孔凡才， 周良权.电子技术综合应用创新实训教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]杜树春.基于Proteusd的数字集成电路的快速上手[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]伍湘彬.电子技术基础与技能》电子信息类[M].北京：高等教育出版社，2006.