Proteus在数字电子设计中的仿真应用

2021-09-08胡辉

清远职业技术学院学报 2021年4期

胡辉

（商丘职业技术学院机电系，河南商丘476100）

现在的电路多采用大规模集成芯片，焊接工艺的要求高，检测数据多，需要仪器数量多。传统的数字电子设计及实验需要通过：查阅技术资料——电路元件参数的计算——实际电路的焊接搭建——仪器仪表的检测调试——出现问题后重新返工。从设计到应用的周期比较长，成本也比较高。而利用电子设计自动化技术后，能将上述的设计步骤大大简化，Proteus这款仿真软件是电子设计中常用的一款工具，它可以将传统的设计步骤搬到计算机上，在计算机上完成元件的选取，图纸的绘制，参数的设置，电路的检测，数据的在线更改，电路的仿真应用。在电子设计过程中节省了技术人员的设计时间和成本，受到行业内的广泛推广和应用[1]。本文通过对Proteus仿真应用，将数字电路中的555时基电路、24秒倒计时电路、抢答器电路、数字钟电路四个电路进行仿真分析，这四个典型数字电路可以将数字电子技术当中的组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲产生与整形电路大部分核心知识进行融合，根据软件的特点把数字电路的理论与实践进行结合，提高了电路设计的效率，节省了设计时间，增强了学习者对数字电路设计的兴趣。

1 数字电路中Proteus仿真电路的经典案例

1.1 时基电路仿真应用分析

绘制电路时打开Proteus，在打开的界面里找到按钮P，单击按钮P选择如图1所示的元件，并按照图示连接电路，将电源V1设置为12V，R1设置为5K，R2设置为50K，C1设置为0.01μF，C2设置为1μF。打开Proteus主界面，从工具栏中选择虚拟仪表模式图标，从中选择示波器（OSCILLOSCOPE）图标，放置到界面中，根据图示将A、B两信号通道分别连接到信号输出端和芯片重置端。

图1 用555构成的多谐振荡器

用555构成的多谐振荡器如图1所示，连好电路并运行，适当调节示波器即可观察到电路的振荡波形。改变R1、R2和C1的值可改变振荡器的振荡频率。用示波器测量电路的振荡周期，并与理论计算值相比，其周期计算公式为：

改变电阻R1、R2的值还可改变振荡波形的占空比，其占空比计算公式为：

振荡周期与占空比的测量，可选中示波器面板中的光标（Cursors）按钮，用光标测量。需要注意的是，示波器屏幕中间的白虚线是时间起点线。

图2是在R1=R2=5k，C2=1uF时的振荡波形测量结果。

图2 周期及占空比的测量

不需其它器件即可用555构成最简单的施密特触发器，如图3所示。

图3 用555构成的施密特触发器

运行电路，使信号发生器固定于某个频率，同时单击信号发生器控制面板右下角的Polarity（极性）按钮，使绿色的Uni指示灯点亮，然后调节信号发生器的输出幅度，直到示波器的A通道出现波形，再调节示波器使其显示的波形合适，以便于回差电压的测量。

图4显示的是关闭示波器B通道和C通道后，将D通道波形调到上部，A通道波形调到下部后的显示结果，图中下边为对应的信号发生器的设置。

图4 施密特触发器的运行结果

示波器的显示方式设置为D/A方式，运行电路可直接由示波器观察到施密特电路的电压传输特性并可方便地测量，如图5所示。

图5 示波器的显示方式设置为D/A

1.2 倒计时电路仿真分析

本电路是模拟篮球比赛中的一次24秒进攻倒计时，电路由两个十进制同步加/减计数器74192芯片、两个7段LED数码管、一个蜂鸣器、一个与门、两个按键和一个电阻构成。

按图6所示绘制倒计时仿真电路，图中数码管的元件名称是7SEG-BCD，按键开关的元件名称是BUTTON，在元件库中有两个蜂鸣器（BUZZER），注意要选择能够使电脑声卡发声的直流蜂鸣器，其它元件名称见图中所示。

图6 倒计时模拟电路

蜂鸣器（BUZZER）的Operating Voltage（工作电压）设置为5V或4V，Load Resistance（负载电阻）设置为120以上，例如1200，否则，不能发声；信号源采用DCLOCK（数字时钟信号发生器），频率设置为1Hz。

运行电路，按图中所设，S1应能起到复位（数码管显示24）和开始运行的作用，S2应能起到暂停和继续计时的作用，24秒倒计时结束后蜂鸣器持续发出声响。

改变74192的D0、D1、D2、D3四个端子与电源和地的连接，可改变定时时间。试将定时时间设为30秒或60秒等。将下边74192的4、5两脚接线互换，即DN接电源、UP接与门的输出，同时将接到13脚TCD端的连线改接到12脚TCU端。再次运行电路，可观察计数显示其它变化。查看74192的真值表，与上述仿真结果对照并按真值表验证74192的其它功能[2]。

1.3 抢答器电路仿真分析

抢答器电路由一块8-3线优先编码器4532和一块4位双稳态锁存器7475为核心元件，9个按键、一个排阻、一个蜂鸣器、两个电阻和四个二极管及一个七段数码管构成。电路原理是若干人参加智力竞赛，抢答开始前，由主持人按下复位开关，使数码管显示为0。

图7所示为8路抢答器原理电路，图中PR1为排阻，内部有8个独立的电阻，其中一个引脚全部连接在一起作为公共端，由第1脚引出，其它元件，见图中所示。

图7 路抢答器原理电路仿真测试

图中有多条相同长度的连线，如PR1与U1间的连线和按键开关与电源间的连线等，对于这些等长的导线，可以采用快速连接法连接，方法是：先连接一条，剩下的直接在要连接的引脚端双击左键就行。

运行电路，验证各按键的作用，其中S0键为复位键，由主持人控制，S1～S8分别由8组参赛者控制。在电路运行时，通过各个引脚端的红蓝色块指示可以了解其逻辑状态，并可以验证电路的逻辑功能。

当主持人宣布开始，首先做出判断的参赛者按下按键，经4532编码和7475锁存使数码管显示抢答的组别，并发出声音提示。在抢答者按键按下的同时，4532的GS输出为高电平1，使7475的Q0非由1变为0，E0～E3也变为0，从而使7475处于锁存状态，不再接收其它信号，直到主持人再次复位为止[3]。

在电路中可以分析并验证电路是如何将按键S8的输入变为数字“8” 显示的，并实现7475是锁存信号，同时可在规定时间后使各参赛者的按键失效，在电路一直处于复位状态下，验证4532的优先编码作用。实际使用的数码管一般是不带译码电路的，使用专用的驱动电路才能驱动7个引脚对应7段共阴或共阳LED数码管。

1.4 数字钟电路仿真分析

数字钟电路主要由7位二进制串行计数器4024、BCD码转七段的译码器/驱动器4543及四2输入与门4081为核心，实现不同进制的计数方法。用数字时钟信号发生器（DCLOCK）产生秒信号，由4081配合4024完成各种进制计数编码，送与4543完成7段译码并驱动7段数码管进行显示，类似的4个部分组成能显示时、分的数字钟。

在模式选择工具栏中选择子电路模式，然后在原理图编辑区拉出一个矩形框作为子电路主体，可命名为“DRV0” 。

将光标移动到矩形框上变为手型或选中矩形框，按组合键Ctrl+C或PageDown键及右键菜单等操作方法切换到子电路页面，在子电路页面中绘制图8所示的子电路原理图。

图8 子电路原理图

图8中左边的CLK和R为终端接口模式（Terminals Mode）中的INPUT端口，下边的Q1～Q4以及右边的D0～D6为OUTPUT端口，导线可采用抢答器电路绘制中的等长导线快速连接法连接。

端口的名称采用属性分配工具快速批量命名，具体方法是：按键盘上的A键或选择主工具栏中的Property Assignment Tool图标，如图9所示在弹出的属性分配工具对话框中，将String栏中的内容改为“net=D#” 或“net=Q#” 等，当确认后在光标移动到对应端口或相关地方时，会变为带有绿色方块的手型，依次单击即可将各个端口自动序号分配系列名称，如图10所示。

图9 属性分配工具的设置

图10 端口设置应用

再次按键盘上的A键可以重新从0开始自动序号，不想从0开始，修改属性分配工具对话框中Count栏的数字即可，要退出自动序号状态，选择一下模式选择工具栏中的另一种模式或者按A键选择属性分配工具对话框中的取消（Cancel）按钮。

子电路原理图绘制完成后，按组合键Ctrl+X或PageUp切换到主电路页面，并确认页面处于子电路模式下，在子电路主体的左边和右边放置与子电路对应的INPUT或OUTPUT端口，全部放置完端口后，用属性分配工具（Property Assignment Tool）给各个端口命名。

选择7段共阳数码管7SEG-COMANODE作为显示器件，并使用网络标号作为连接方式，网络标号的命名同样可用属性分配工具完成，绘制好的基本单元电路如图11所示。

图11 数字钟基本电路

添加时钟和电压探针，使用图表模式（Graph Mode）中的数字分析（DIGITAL）或一致性分析（CONFORMANCE），将其停止时间（Stop time）修改为30，按空格键可以得到各端口的时序波形图，如图12所示。改变4081与Q1～Q4间的连接，可以得到时钟频率的不同分频，即可使数码管显示0～6之外的任意循环显示。

图12 端口时序波形图

框选基本单元电路，在右键菜单中选择Block Copy（块复制），选取合适距离和位置依次放置3个基本单元电路的复制图。

利用属性分配工具将子电路与数码管的网络标号直接修改为D10～D16、D20～D26和D30～D36，改变4081与Q1～Q4间的连接，并连接各基本单元电路间的时钟进位信号连线，其它修改按图中所标，完成后的电路如图13所示。

图13 60进制及24进制计数器原理电路（数字钟）

2 Proteus仿真数字电路效果分析

2.1 直观

相对于传统是数字电子设计，Proteus仿真能够更好地带来直观的视觉效果。通过各种元器件的调用，设备仪器的调试，能够直接看到设计的电路是否有问题，能够验证理论，及时调整元件参数，设置仪器仪表的参数，改变电路中元件的规格，看到电路验证的结果。

2.2 便于学习者进行网络课堂学习

受新冠疫情影响，数字电子技术的课程教学在网上进行授课将成为常态化，学习者在上网课之后不能有效地进行数字电路的实践，利用Proteus将数字电路中的知识进行仿真实训，同样可以使学习者对数字电子设计理论知识学习更加透彻，可以不受时间和地方的限制，随时随地进行仿真设计，实践练习比较方便。

2.3 降低实践成本，节约时间

传统的设计方式需要从原理设计，电路制作，电路调试、验证，有问题需要重新返工，反复多次才有可能实践成功，耗材成本和时间成本都比较高，利用Proteus来进行仿真，只需要从软件的元件库中调用元件和仪器仪表，元件和仪器仪表与真实的参数基本一致，从而节省实际耗材，电路的设计与验证调试所用的时间也比较少，返工操作只需要在软件上更换元件或调整元件参数即可，简化了设计实践的过程，也不用担心元件的损坏，设计效率得到了大大提高。

3 Proteus仿真促进数字电路设计课程的改革

3.1 考核知识层次

利用Proteus软件对数字电路中典型电路进行仿真，考核学习者对数字电路中基础知识的了解和掌握程度。

时基电路主要由555时基芯片为中心，它是将数字电路和模拟电路结合在一起，在相应管脚配备电阻、电容构成，设置不同参数会得到不同脉冲信号，能够完成定时、产生时间基准和时延功能的集成电路。在生活中广泛应用于儿童电子玩具、家用电子产品、电工电子设备中。在数字电子技术中利用其不同组合，可以实现定时器、施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路的设计与制作，产生多种波形供设计进行参考与测试。

倒计时电路结合实际生活中篮球进攻倒计时电路，将时序逻辑电路中的计数器电路与基础与门电路及数码显示电路有机地进行结合，将电路的实际应用与数字电路单元知识相结合，拓宽学习者的数字电子技术的视野，提高学生学习数字电路兴趣，增强学习的主动性。

抢答器电路在生活中应用非常广泛，它将组合逻辑电路中的编码电路和触发器中锁存器及数码显示电路进行结合，将组合逻辑电路中的知识运用到实践生活当中，让学习者掌握组合逻辑电路的原理，了解其应用场合，掌握组合逻辑电路集成芯片管脚的设置方法。

数字钟电路是利用BCD码转七段译码器/驱动器和7位二进制计数器及四2输入与门电路进行结合，将数字电路中的组合逻辑电路和时序逻辑电路两大重要知识点进行了综合运用。

3.2 学习者接受度

传统的数字电路课程的授课形式是教师讲，学生听，需要验证理论时利用实验箱设置固定的实验项目，验证普通单元电路，需要的时间周期比较长，设备的老化及工作台的限制，使许多学生实习时处于“打酱油” 的应付状态，数字电路的实习也是流于形式，提不起学生的学习兴趣。将Proteus仿真软件引入数字电路设计的课堂中，在讲课的过程中将典型的数字电路案例进行仿真实验，给学生进行演示，并将软件的操作方法授予学生，作为数字电路课程教学的辅助工具，使数字电路课程不再抽象和枯燥，提升学生学习数字电路的兴趣，使学生也可以在课上和课下进行仿真操作，无形中增加了学生学习和实践的有效时间，使学生的听课效果得到大大的改善。

3.3 Proteus仿真培养学生对数字电路设计的认知度

数字电路的学习过程中，会遇到各种各样型号的元器件，每一种元器件都有自身的特点，不同的电路会由不同的元器件来进行搭建。认识并熟悉数字电路中的各种元器件就像了解人体系统的各个器官的功能一样，Proteus软件中有数字电路中用到的各种元器件。通过软件的调用、设置、更换、搭建不同的电路，不同设备仪器的操作应用，增强学生对数字电路认识，对数字电路中各种元件的掌握及不同设备仪器的操作，达到促进数字电路教学创新的目的。