Proteus软件在数字电子技术课程中应用实例分析

吴海红，陈 昕

（安徽电子信息职业技术学院，安徽 蚌埠 233000）

一、引言

《数字电子技术》课程是高职高专院校电子信息类专业的专业基础课，在整个课程体系中占有重要地位。而本课程的理论性及实践性均较强，知识点多而散，大部分学生感觉学习数字电路只是停留在知识的堆砌上，而对具体器件怎么应用，如何利用所学器件设计实际电路就显得不知所措。

传统的《数字电子技术》实践教学主要通过在实验箱或面包板上搭接各种中、小规模数字集成电路来实现相应功能。由于受元器件种类、电路方案可行性、连线的可靠性及元器件相互干扰等因素的限制，会直接影响实验效果，导致学生失去学习的兴趣。目前许多院校的《数字电子技术》课程采用项目化的教学模式，工程实践性强，有利于学生对知识的理解和实践能力的培养，但在强调完成项目的同时容易造成对基础性、原理性知识的疏忽。

Proteus是由英国Labcenter Electronics公司开发的一款先进的EDA工具软件，能实现数字电路、模拟电路、单片机系统的电路硬件仿真、软件仿真、系统协同仿真及PCB设计等功能[1]。用Proteus进行仿真设计，不受元器件材料、检测仪器、实验设备等条件的制约，可以很方便地进行电路调试、方案比较、电路故障分析和判断、功能演示等，更具灵活性及可操作性，更重要的是培养了学生设计电路的能力，激发了学生的创新思维[2]。

本文将以JK触发器构成三人抢答器为实例，讲解Proteus软件在《数字电子技术》课程教学中的具体应用。

二、方案论证及仿真

触发器是组成时序逻辑电路的重要单元。在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全，具有保持、置0、置1和翻转四种功能。

三人抢答器电路由抢答输入、抢答锁存、抢答显示三个部分组成。抢答输入部分由三个抢答按钮和一个清零复位按钮组成；抢答锁存电路由与非门和JK触发器组成；抢答显示电路由三个发光二级管组成。考虑到学生实际搭接电路在面包板上完成，电源由3节1.5V电池提供，触发脉冲需要由与非门输出产生。利用JK触发器的置0、置1和翻转三种功能均可实现三人抢答器。

（一）方案一

利用JK触发器的置0功能，使J=0，K=1，参考电路图如图1所示。J1、J2、J3为三个抢答器按钮，J4为系统复位按钮。显示电路的发光二极管采用共阴极接法，阳极分别接3个JK触发器的端。

工作时，先按下系统复位按钮J4，利用JK触发器的异步置1功能，使3个触发器的输出端Q为高电平1，为低电平0，3个发光二极管都不亮，此时可以开始抢答。当J1、J2、J3三个按钮按下任意一个时，对应的与非门输出端由高电平跳变为低电平，产生的下降沿给对应的触发器提供一个触发脉冲。因为J=0、K=1，JK触发器执行置0的功能，使该触发器的输出端Q为低电平0，为高电平1，对应的发光二极管点亮。同时，对应JK触发器的输出Q（低电平0）反馈到另外两个与非门的输入端，封锁其状态，则其余两个按钮动作无效[3]。

图1 方案一参考电路图

（二）方案二

利用JK触发器的置1功能，使J=1，K=0，参考电路图如图2所示。显示电路的发光二极管采用共阴极接法，阳极分别接3个JK触发器的Q端。

图2 方案二参考电路图

工作时，先按下系统复位按钮J4，利用JK触发器的异步置0功能，使3个触发器的输出端Q为低电平0，为高电平1，3个发光二极管都不亮，此时可以开始抢答。当J1、J2、J3三个按钮按下任意一个时，同方案一电路一样给对应的触发器提供一个触发脉冲。但此时J=1、K=0，JK触发器执行置1的功能，使该触发器的输出端Q为高电平1，为低电平0，对应的发光二极管点亮。同时，对应JK触发器的输出（低电平0）反馈到另外两个与非门的输入端，封锁其状态，则其余两个按钮动作无效。

（三）方案三

利用JK触发器的翻转功能，使J=1，K=1，参考电路图如图3所示。显示电路的发光二极管采用共阴极接法，阳极分别接3个JK触发器的Q端。

图3 方案三参考电路图

工作时，过程同方案二，不同的是当按下某一按钮，对应触发器得到一个触发脉冲后，由于J=1、K=1，此时JK触发器执行翻转的功能，点亮相应的发光二极管。

三、方案比较

电路设计好后，经过仿真发现，方案一实现的抢答器在通电后，3个发光二极管的初始状态都是点亮的，必须按下复位按钮J4后，利用JK触发器的异步置1功能才能使3个二极管灭掉，然后开始抢答。方案三实现的抢答器，由于利用触发器的翻转功能，第一次按下某按钮对应二极管点亮，在抢答时如果手有抖动的话，第二次按下该按钮对应二极管会被熄灭，其他选手可以接着抢答。经过多次仿真分析，发现方案二最为完善，建议采用该方案。

四、方案改进

仿真时发现抢答显示部分采用发光二极管不够直观，可以改用一片共阴极七段数码管，驱动器选用集成电路74LS48。数码管初始状态显示“0”；当J1按钮被按下时，数码管显示“1”； J2按钮被按下时，数码管显示“2”； J3按钮被按下时，数码管显示“3”。按照组合逻辑电路的设计方法，将电路图中从上到下三个触发器的输出端Q1、Q2、Q3作为输入变量，74LS48的两个低位输入端A、B作为输出变量，依据显示要求列出真值表如图4所示。由真值表画出卡诺图如图5所示，化简得A=Q1+Q3；B=Q2+Q3。输出端用两个或门即可实现，完整电路图如图6所示。

图4 真值表

图5 卡诺图

图6 三人抢答器电路图

经过仿真，该电路可以实现三人抢答器要求的功能。通过方案比较、仿真分析、电路改进，将《数字电子技术》课程中的两大模块——组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计知识都进行了实际运用。

五、结语

本实例充分利用Proteus软件将理论知识和实践相结合，使教师讲授的理论知识更直观、形象地展现给学生，允许学生在仿真时进行大胆假设、尝试，教学中很多重点、难点都可以通过仿真分析得到解决[4]。同时，Proteus软件操作简单，容易上手，在很大程度上提高了学生对分立元件和集成芯片的应用能力，激发了学生对本课程学习的兴趣，对改善教学效果起到了很好的促进作用。