基于Proteus的举重裁决器电路设计与仿真

贾秀玲，姚 聪，张保花

(1.滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000；2.昌吉学院，新疆 昌吉 831100)



基于Proteus的举重裁决器电路设计与仿真

贾秀玲1，姚 聪1，张保花2

(1.滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000；2.昌吉学院，新疆 昌吉 831100)

组合逻辑电路设计是数字电路教学的一个重点内容。在项目化课程教学改革中，选择举重裁决器的设计为项目载体，采用不同的电路设计方法来实现电路功能，利用proteus软件对设计电路的功能进行仿真，比较这几种设计方案的优劣，归纳总结组合逻辑电路的设计思路和方法，便于学生学习、掌握组合逻辑电路的要点。

Proteus软件；举重比赛；电路设计和仿真

0 引言

数字电路由组合逻辑电路和时序逻辑电路两类典型电路组成，其中组合逻辑电路的设计在数字电路课程中占据非常重要的地位，它以逻辑代数基础、基本门电路、组合逻辑电路分析为基础，为后续时序逻辑电路的学习做好铺垫。在教学中，教师应创设学习情境，激发学生的学习兴趣，启发、鼓励学生探索多方案的电路设计。本研究通过举重裁决器的设计制作过程，让学生体会、掌握组合逻辑电路的设计方法，培养他们利用所学知识来分析、解决实际问题的能力。

Proteus是英国Labcenter electronic公司开发的一款EDA工具软件，具有丰富的元件库、多样的激励源、各种类型的虚拟仪表[1]，可以实现电路原理图设计、模拟(数字)电路仿真、单片机与外围电路仿真、PCB设计，是目前世界上唯一将电路原理图绘制软件、PCB设计软件和虚拟仿真软件三合一的设计平台[2]。在数字电路课堂教学中借助Proteus软件可以让学生对设计电路的过程和电路功能有清晰、直观的认识，提高电路设计的效率，能够将枯燥的理论知识讲解变得生动有趣，激发学生探索知识的热情及对电路设计的开发和创新能力。

1 举重裁决器电路的设计要求

举重比赛有3名裁判，分别为两名副裁判和1名主裁判，裁判规则是只有当2名或2名以上的裁判同意，且其中1名为主裁判时，举重运动员试举才算成功，否则，举重运动员失败。请设计一款举重裁决器，实现以上电路功能。

(1)列出真值表，写出逻辑函数表达式；

(2)画出逻辑电路图，并用proteus软件对电路进行功能仿真。

2 举重裁决器的设计方法

2.1 用门电路设计

组合逻辑电路设计的一般步骤为：①首先确定输入、输出变量及其取值情况，列真值表；

②根据真值表，写出逻辑函数表达式；

③对逻辑函数进行化简；

④画出逻辑电路图。

根据组合逻辑电路设计的步骤，举重裁决器的具体设计过程如下：

设A为主裁判，B、C分别为两名副裁判，在举重运动员试举时，裁判员同意，取值为1，否则，取值为0；Y表示举重的结果，成功取值为1，失败取值为0。

①列真值表

根据题意列出举重裁决器的真值表如表1所示：

表1 举重裁决器的真值表

②写出逻辑函数表达式

根据真值表，写出逻辑函数表达式：

③对逻辑函数进行化简

④画逻辑电路图

根据化简后的逻辑函数表达式，画出逻辑电路图如图1所示：

在工程实际中，根据图1所示的电路，动手制作举重裁决器，并不可取。因为逻辑门要通过集成芯片来实现其功能，电路中含有两种逻辑门，就需要两种不同类型的集成芯片，增加了电子产品的制造成本。由于一个集成块内通常有多个相同的逻辑门，因此借助摩根定律，将化简后的逻辑函数表达式转换为与非-与非表达式，可用同一种类型的逻辑门来实现相应的逻辑功能，降低成本。

所以，对Y=AB+AC两次取非，可得

根据上式，只要用1片集成与非逻辑门74LS00就能实现举重裁决器的逻辑功能，其逻辑图如图2所示。

2.2 用译码器设计

译码是编码的逆过程，具有译码功能的组合逻辑电路称为译码器。译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异，日常生活中使用比较广泛的典型译码电路有二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器[3]。

二进制码译码器，其输出变量为输入变量最小项的形式，也称最小项译码器，所以可以用译码器来实现组合逻辑函数的功能，如3线-8线译码器74LS138，功能表如表2所示。

表2 74LS138的功能表

根据功能表可以写出输出变量的表达式为：

…

举重裁决器的逻辑函数表达式为：

2.3 用数据选择器设计

数据选择器的功能是在输入地址译码的控制下，能够从多路输入信号中选出一个特定的信号送到输出端的组合逻辑电路，又称为多路选择器或多路开关[3]。

74LS151是集成8选1数据选择器，它的功能表如表3所示。

根据74LS151的功能表可以写出输出变量Y的逻辑函数表达式为：

根据以上电路设计，画出逻辑电路图如图4所示。

表3 74LS151的功能表

输入使能端EN地址码A2A1A0输出YY1×××010000D0D00001D1D10010D2D20011D3D30100D4D40101D5D50110D6D60111D7D7

3 Proteus软件仿真

根据以上三种不同方法设计的举重裁决器电路，可直接利用proteus软件画出其逻辑电路图，然后再对电路的逻辑功能进行仿真，这样就减少了电路制作中元器件布局、导线连接、焊接等实际操作，简化了硬件电路的调试工作，提高了电路设计及逻辑功能验证的效率和准确性，为电路功能的开发和创新提供了新的思路和平台。

3.1 绘制原理图

(1)打开proteus软件，在ISIS界面新建文件。

(2)查找所需元器件，并添加至元件列表中。

具体操作是，首先打开元件库搜索器，在左侧“索引”栏输入元器件的名称，例如方案中所需要的二输入与非门可直接输入“74LS00”，开关可输入“switch”等。在输入元件名称的同时，右侧的“搜索结果”界面实时显示包含该名称的元件，在“搜索结果”的列表中双击所需的元件名称，即可将该元件添加至元件列表中。

(3)放置元件

在最左边的模式选择栏中，选择“元件模式”，再在预览图下方的列表即元件列表中单击所需放置的元件，接着在原理图绘图区点击一次鼠标左键，然后在原理图绘图区选择该元件合适的放置位置，点击左键确认。

(4)导线连接

具体步骤：将鼠标移动至导线起点的元器件引脚处，鼠标指针会出现“×”提示符号，点击左键确认就可以划线了，需要导线拐弯时点击鼠标左键即可改变导线的方向，在导线结束时再点击左键就完成了一段导线的连接。

(5)放置电源和接地符号

电路中所有导线连接完成后，添加电源和接地符号，就完成了原理图的绘制[4]。电源和接地符号的放置步骤和元件放置步骤相同，区别在于电源和接地符号不在元件列表中。在最左边的模式选择栏中，选择“终端模式”，预览图下方的列表为终端列表，其中“POWER”为电源，“GROUND”为接地。

3.2 仿真结果

在Proteus软件的ISIS界面中绘制的电路原理图中，点击左下角的仿真按钮，电路没有任何响应，当按下主裁判开关A和其中任何一个或两个副裁判开关B、C时，输出端Y接的LED灯亮，表示举重运动员成功。图5、图6、图7分别是三种设计方案的仿真结果，从图中可以看出三种不同方法设计的电路都实现了电路功能，当2名或2名以上裁判同意，其中1名必需为主裁判时，举重运动员成功。

4 总结

本文通过举重裁决器的多方案设计，详细介绍了组合逻辑电路的不同设计方法和技巧，又利用Proteus软件对电路的逻辑功能进行仿真，从实验角度验证了由门电路、译码器和数据选择器三种设计方案的正确性，同时证明了在组合逻辑电路设计步骤中，逻辑函数表达式和逻辑图并不是唯一的，但真值表和逻辑功能却是相同的。因此，组合逻辑电路设计的方法非常灵活，究竟选择哪种方法来设计组合逻辑电路，还要根据实际情况来定。如果电路系统比较简单，可以采用门电路设计，这样电路成本低，设计又比较灵活。对于比较复杂的电路系统，可采用译码器、数据选择器设计，可以减少元器件的数量，降低成本和功耗，提高速度和抗干扰力，缺点就是灵活性比门电路要差些。

[1] 周润景.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006:1.

[2] 王瑾.基于Proteus的数字电压表仿真设计[J].电子设计工程，2013,21(1)：122-124.

[3] 卜锡滨.数字电子技术[M].北京：中国水利水电出版社，2011:56-99.

[4] 潘益玲.基于Proteus的篮球竞赛30秒计时器的设计与仿真[J].深圳职业技术学院学报，2008,7(4)：27-31.

Design and Simulation of Voter Circuitin Weightlifting Match Based on Proteus

JIAXiu-ling1，YAOCong1，ZHANGBao-hua2

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege,Chuzhou239000,China；2.ChangjiCollege,Changji831100,China)

Combinatorial logic circuit design is a key content of digital circuit course teaching. In the project course teaching reform, the design of weight controller is used as the project carrier. We use different circuit design methods to realize the circuit function. At the same time, we use Proteus software to simulate the function of design circuits, and then compare the advantages and defects of these designs to sum up the design ideas and methods of combination of logic circuit. These ideas and methods can facilitate students to learn and master the main points of combinational logic circuit.

Proteus software; weightlifting match; circuit design and simulation

2017-01-17

安徽省质量工程(2015jyxm519，2015jxtd069，2016gkk019)；安徽省教育厅项目(KJ2012Z299)；国家数字化资源中心实验资源征集项目(syzy2015005)；滁州职业技术学院院级质量工程(zlgc2015034,zlgc2016010)；昌吉学院院级课题(14jyyb006)

贾秀玲(1979-)，女，博士，滁州职业技术学院信息工程系讲师，研究方向：电路设计及应用。

TP368

A

1674-3229(2017)02-0025-06