Proteus在《数字逻辑电路》课程教学中的应用

2020-04-26王华本朱良月鹿建银

科技视界 2020年4期

王华本　朱良月　鹿建银

摘要

随着集成电路的发展，计算机各个专业所涉及的硬件类的课程也越来越重要，但学生整体掌握的情况不是很好，为了提高教学质量，本文在《数字逻辑电路》课程中加入Proteus仿真教学，把课堂教学过程中的难以理解的知识点理论教学后，再用Proteus进行仿真，让学生真正理解所学内容。拓宽学生学习的知识边界，提高学生理论融合实践的技能，掌握电路的设计方法，有助于培养养学生综合分析能力以及创新创造的能力。

关键词

集成电路;Proteus;仿真教学

中图分类号： TN791-4;G642 文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.19

0 综述

Proteus是一个巨大的教学资源，Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。《数字逻辑电路》课程中所遇到的元器件在Proteus很容易找到。《数字逻辑电路》课程中主要就是两大电路：组合逻辑电路、时序逻辑电路。组合逻辑电路的基本单元电路是与门电路、或门电路、非门电路，对应Proteus如图1所示：从图中很清楚地看到与门电路74LS08管脚的分布，上面集成有4个与门，共有14个管脚，其中7脚接地（GND），14脚接电源（VCC）。

组成时序逻辑电路的单元电路主要是触发器，最常见的是D触发器和JK触发器，如图2所示：

《数字逻辑电路》课程中的两大电路：组合逻辑电路、时序逻辑电路，讲授课程时，必须先把基本单元电路原理讲清楚，并借助Proteus仿真平台，让学生加以理解和消化，这样就很容易化难为易。

1 门电路

《数字逻辑电路》中基本的门电路：与、或、非最基本的三种门电路，也是构成组合逻辑电路的单元电路，讲解过程中穿插Proteus仿真进行辅助理解和学习。譬如讲到最简单的与门，可以使用芯片74ls08，同样可以输入关键字and，就可以找到对应的与门符号，为了验证与门功能，还需要添加输入控制端LogicState，输出端LogicProbe，仿真电路如图3所示。

这样从图3中就能很轻松地总结出与门电路的功能：有零出零，全1出1。同学们学习、理解就非常轻松。并可以类推出其他门电路的功能。

2 组合逻辑电路

组合逻辑电路的输出是由输入决定的，电路没有记忆功能，电路结构相对来说是比较简单的，但在具体讲解译码器功能时，发现学生的理解仍然存在障碍，特别对于低电平有效，学生无法把函数表达式与功能一一对应。引入Proteus仿真后，把译码器74ls138分三个模块进行知识的讲解：输入端、使能控制端、输出端。首先让同学们理解使能控制端的作用，何时禁止译码;何时芯片开始工作但是还没有接到译码信号;何时开始真正译码工作。如图4所示：译码器74ls138功能的仿真图可知，输入端A、B、C;使能控制端E1、E2、E3、输出端Y0～Y7。从芯片仿真图可知，使能控制端E1、E2、E3所加信號为1、0、0时，芯片开启工作模式，输出端Y0～Y7全部是低电平有效。这样讲解以后发现90%以上的学生能很快理解原理，并能用74ls138和门电路进行电路的设计一个电路，实现全加器的功能，如图5所示。

3 触发器

触发器是同步双稳态器件，也称为双稳态多谐振荡器。触发器是构成时序逻辑电路的单元电路，主要的是D触发器和JK触发器两种，仿真元件的代表是74ls74、74ls112。D触发器的输出在CP脉冲的作用下和输入时一样的，这里的初态的设置同学们很难理解，其实就是触发器的R端和S端，这两个端一个清零，另外一个置1，初态设置好以后，触发器正常工作时候，触发器的R端和S端必须置1。

D触发器的仿真图中很容易得出如表1所示的D触发器的功能真值表，清零，置1，输入与输出保持一致。

通过Proteus仿真，能将难懂的原理通过仿真电路来实现功能，在整个教学的过程中不用担心元器件的损耗，也不用担心内部电路导线接触不良，结果无法正常显示。学生可以在自己的电脑上安装Proteus，课下可以多次训练，以掌握知识的要领，进一步理解原理，这样到固定的实验室做实验时候，就能做到心中有数，不再手忙脚乱，真正的实物实践和仿真实践是由差异的，但先通过仿真，同学们就能在理解原理的基础上快速完成实践，真正的实物实验有好多因素导致实验无法显示正确的结果。譬如电路板焊点脱落，芯片损坏，实验平台上面固定的元器件损坏等等这些因素都会导致实验结果无法正常显示。学生在这种情形下就会丧失学习的信心。而此时的Proteus就恰到好处地弥补了这个缺失。JK触发器74ls112的仿真图如图7所示。

从仿真电路图中可以看出JK触发器只有4种情况：00、01、10、11，但这里面有一个初始状态的设定，每一种情况初始状态可以为0，也可以为1，还有开始时的清零和置1，总而言之，共有10种情况，如果不借助Proteus仿真，学生可能要云里雾里，上课的过程中，借助Proteus仿真就可以很轻松把这10种情况讲解清楚，这样水到渠成地从JK触发器的仿真图中得出如表2所示的JK触发器的功能真值表，并总结出JK触发器的规律：00保持，相异从J，11翻转。对于JK触发器的功能学生只要记住这3句话，12字就可以，以后在设计时序逻辑电路的时候用到驱动表也是从此得出的。

4 时序逻辑电路

时序逻辑电路相对来说比较复杂，移位寄存器仿真电路图如8所示：电路构成单元是4个D触发器，通过仿真实验很容易得出移位寄存器状态转换真值表。如表3所示。

5 结语

Proteus在《数字逻辑电路》课程教学中的应用，恰到好处地补充了硬件电路在实物实践的不足，同时增添了学生学习的乐趣，拓宽同学们学习的知识边界，培养学生自主学习的能力，提升了同学们综合应用知识的进行分析和解决问题的能力。

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