基于Proteus的数字电路仿真平台设计与实现

陈志凤，张亚如

(1.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000；2.廊坊市模式识别与机器智能重点实验室，河北 廊坊 065000)

基于Proteus的数字电路仿真平台设计与实现

陈志凤1，2，张亚如1，2

(1.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000；2.廊坊市模式识别与机器智能重点实验室，河北 廊坊 065000)

根据数字电路课程的特点，利用Proteus软件，搭建了基于Proteus的数字电路仿真平台。以8路抢答器设计为例介绍整个设计过程。仿真结果表明，可以显示出各引脚高低点电平变化情况，加深学生对理论知识的理解。此平台作为理论教学的辅助手段，可以对实验原理做更好的解释，提高学生动脑动手水平，为培养应用型人才打好基础。

Proteus；数字电路；仿真平台

0 引言

《数字电子技术》是通信、电子、电气等专业的重要基础课程，主要研究基本的半导体元器件的工作原理、常用电子电路的原理和应用。本课程能培养学生具有常用电子元器件的识别与检测能力，具备一定的常规电子电路的测试、分析、设计、制作等能力，从而提高学生专业素质和职业素质。达成上述教学目标，实践环节在整个教学过程中起着很重要的作用[1]。

目前很多学校在数字电子电路课程的实验教学中，都配有不同型号的实验装置。这些装置在实验教学中存在许多缺陷，如教学资源不足、学生实验内容固定、维护成本不断增加等。

虚拟仿真实验平台就很好地解决了这些难题。在电子类课程教学中引入仿真实验平台[2]，将现有的单一实验室实际操作改变为实验室实际操作+仿真平台仿真设计，两者结合，对提高学生实践能力很有助益。

对数字电子技术来说，Proteus是目前较为优异的仿真工具，由于不涉及编程语言，非常适合初学者学习。本设计研究建立了基于Proteus实验教学平台，进行了仿真设计等实验,可以帮助学生更好地学习理论知识，提高学习兴趣，并为后续课程的学习打好基础。

1 Proteus软件简介

Proteus是英国Labcenter electronics公司研究发明的一种多功能EDA软件，它具有友好的人机互动窗口界面和功能强大的ISIS智能原理图输入系统，操作菜单与工具很丰富。在ISISS智能原理图编辑区中，能很方便地完成电路系统的硬件设计、软件设计、源代码级调试与仿真等。

Proteus有三十多个元器件库，具备上千种元器件仿真模型；有形象生动的动态器件库、外设库。Proteus有十多种的信号激励源，十多种虚拟仪器(如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等)；提供软件调试功能，能进行模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等。Proteus支持如Keil C51 uVision2等第三方的软件编译和调试环境。

Proteus还有使用方便的印刷电路板高级布线编辑软件(PCB)。值得一提的是，Proteus库中的仿真模型都是依据生产企业提供的数据来建立的，所以Proteus设计与仿真极其接近实际。将Proteus仿真平台应用到电子类产品研发过程中，能明显节约研发成本，缩短研发周期，提高研发效率。

Proteus ISIS的工作界面属于标准的Windows界面，如图1所示。界面包括标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、预览窗口、图形编辑窗口、对象选择器窗口、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、状态栏等。这种界面设计能使用户感觉比较熟悉，使用起来比较方便。

2 基于Proteus 的《数字电子技术》方针实验设计

2.1 总体设计

根据数字电子技术教学大纲的要求，结合本校所选用教材[3]及实际操作实验，确定仿真实验的内容，包括光电转换控制电路、智力竞赛抢答器、游戏中的随机掷数发声器、秒信号发生器、滚环电路流水灯、触摸功能延时灯。整个实验系统内容涵盖了《数字电子技术》重要知识点，实验内容实用性较强，能够激发和巩固学生的学习积极性。

2.2 8路抢答器设计

下面以8路抢答器设计为例介绍整个设计过程。

2.2.1 实验目的

(1)掌握优先编码器的工作原理。

(2)掌握译码显示的原理。

(3)熟悉8路抢答器的工作原理。

2.2.2 实验原理

8路智力抢答器能实现以下功能：

(1)8人参加比赛，从1开始给编号，各用一个抢答按钮，谁先按下数码显示器则显示相应的按键号码。

(2)主持人设置一个控制开关用来控制抢答的开始和系统的清零。

(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按下抢答按钮，编号立即锁定，并在LED数码管上显示该选手的编号。此外，还要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答器选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止[4]。

8路智力抢答器电路由10线-4线优先编码器74LS147、锁存D触发器CD4042、BCD码4线-7线译码/驱动器CD4511、2输入或非门CD4001以及LED数码管等构成。

2.2.3 电路图(图2)。

2.2.4 实验设备与器材

所用原件：D触发器、译码器、优先编码器、LED数码管、或非门。

在Proteus 软件中所对应的元件如图3所示。

2.2.5 实验内容

(1)测试各触发器、优先编码器和七段译码管的逻辑功能。

(2)根据实验指导书，画出详细的电路图。

(3)调试搭建好电路，直至正常工作。

(4)观察实验现象。

2.2.6 结果分析

运行仿真，会显示各点高低电压情况，如图4所示。

仿真运行开始，显示电路初始状态及各引脚高低电平。其中，蓝色为低电平，红色为高电平(通过这种直接的观察，有助于学生了解芯片引脚功能。而且在操作过程中，由于改变了输入信号，各引脚状态也会发生变化，通过分析这些变化，使学生能够对芯片的功能有更深刻的理解)。然后，按下复位键。

按下复位键后，RS触发器置1，D触发器CD4042处于接收状态，如图5所示。

若此时某一位选手先按下按钮，比如S2按下，编码器的输出0010，D触发器的输出也为0010，同时编码器的输出0010通过四个二极管VD1～VD4所组成的或门输出高电平，使RS触发器置0，D触发器的CP端为0，D触发器的状态被锁存为0010。经过CD4511译码后，LED数码管显示数字2，如图6所示。

若此时其他选手也按下按钮，因为D触发器已处于锁存状态，不再接收信号，所以数码管所显示的数字不再发生变化，始终显示抢答后第一位选手的编号。

若要进行下一轮抢答，主持人需要再按一下按钮SB0，重新启动系统，则D触发器的CP端重新为1，D触发器又可以接收数据，可以再次进行抢答。

另外，实现此功能的电路不只这一种。

在此电路图中，编码器用到的是4511，其输出的是反码，因此在送入D触发器之前，要分别经过非门取反。若电路图中给出的编码器输出是原码的话，则可以直接送入D触发器。

此外，D触发器也可以选用JK触发器来实现D触发器功能，数码显示部分还可以选用共阳极数码管和共阳极数码管驱动电路来实现。

3 结论

由此可见，结合仿真，可以显示出各引脚高低点电平变化情况，分析各芯片引脚功能，加深对理论知识的理解，可以对实验原理做更好的解释，加深学生的印象。

利用仿真平台，可以结合学生实际情况，进行一题多练，用不同实体实现相同功能，对理论知识达到融会贯通，进而能够灵活应用，变“让我学"为“我要学"，提高学生动脑动手水平，为培养应用型人才打好基础。

同时，仿真平台的应用还有待于进一步改进，实验内容还可根据实际教学要求进行删改。在后续的工作中需继续完善、修订，使其应用达到节约教学成本、激发学生积极性、改善教学效果的目的。

[1] 余秋香，张建荣，黎小涛，等.基于Proteus的虚拟仿真技术在数字电路教学中方的实践[J].产业与科技论坛，2014，13(20)：71-72.

[2] 覃桢，胡俊纬，刘文佳.Proteus仿真在数字电路中的项目教学研究[J].计算机教学，2013,(9)：112.

[3] 康华光，秦臻，张林.电子技术基础数字部分(第六版)[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4] 沈任元，吴勇.数字电子技术基础(第二版)[M].北京：机械工业出版社，2012.

Design and Implementation of the Simulation Platform of Digital Circuit Based on Proteus

CHENZhi-feng1，2，ZHANGYa-ru1，2

(1.LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China；2.LangfangKeyLaboratoryofPatternRecognitionandMachineIntelligence,Langfang065000,China)

Based on the characteristics of digital circuit course,we use Proteus to build simulation platform of digital circuit based on Proteus.The whole design process is introduced by taking the design of 8-way responder as an example.The simulation results show the change of high-low levels in each pin,and students can deepen their understanding of theoretical knowledge.Taking the platform as a supplementary means of theoretical teaching,teachers can give a better explanation of the experimental principles,improve students' practical abilities,and lay a solid foundation for cultivating applied talents.

Proteus; digital circuit; simulation platform

2016-11-20

廊坊师范学院校级教改项目(K2015-20)

陈志凤(1979-)，女，硕士，廊坊师范学院物理与电子信息学院讲师，研究方向：信号传输、信号处理。

TP331

A

1674-3229(2017)01-0060-04