基于Proteus的数字电路虚拟实验室建设

刘 胜，杨 夏

(广西财经学院1.职业技术学院，2.信息与统计学院，广西 南宁 530003)

“数字逻辑电路”是计算机及相关专业的一门非常重要的专业基础课程。该课程概念较为抽象，特别是中规模集成电路往往令初学者难以掌握。为了加深学生的理解，实际教学中，除了要通过电路实例加以讲解外，实验的设置也非常重要。

Proteus软件包可以提高产品的开发效率，降低开发风险，在教学、科研和开发等领域都得到了广泛的应用[1-3]。本文以八路抢答器的设计与仿真为例，阐述了以Proteus软件的ISIS组件为主的虚拟实验室及在数字电路实验中的应用实践。

1 虚拟仿真实验室的建设

相对于传统的数字电路实验室，使用Proteus软件构建数字电路虚拟实验室投入资金很少。只需要在计算机机房的每台计算机上安装Proteus软件，就可以把普通机房变成一个虚拟的数字电路实验室。Proteus中提供了30多个元件库，并提供了各种仪器和电表，完全可以模拟一个实际的电路实验工作台[4]。实验指导教师可以采用切换屏幕的方式进行实验操作演示，实验完成后学生上交DSN文件存档。

2 虚拟实验室的应用实践

编码器和显示译码器是组合逻辑电路的典型代表，触发器和锁存器则是时序逻辑电路的重要基础。本实验要求学生在了解数字逻辑器件的逻辑功能基础上，通过创新设计完成一个八路抢答器的电路，并在Proteus中仿真实现。

1)实验课程安排

我们首先给出编码器、显示译码器、D触发器和锁存器的验证电路。要求学生熟悉Proteus ISIS环境，并通过Proteus中的直观的仿真反馈，了解集成电路芯片在各种不同输入下的输出。对照芯片手册中的真值表和逻辑表达式，理解芯片功能。最后给出八路抢答器的功能描述，完成电路的设计和仿真。

2)八路抢答器功能描述

抢答器应在电路中设置“开始”和“复位”按钮，当“开始”按钮被按下时，蜂鸣器发声时就开始抢答。在电路中设置8个带有编号的抢答按钮，当某个抢答按钮被按下时，在数码管上显示该路按钮的编号(编号为1-8)并保持，直到“复位”按钮被按下，数码管不显示。

3)实验指导

我们可以给出如图1所示的编码显示原始电路，以便给学生提供设计思路。

图1 编码显示原始电路仿真

Proteus中除了有按钮元件外，还提供了一个LOGIC STATE元件。利用LOGIC STATE元件可以在仿真时实时对输入信号进行手动控制。在设计阶段，电路中所有按钮或需要设置电平的引脚全部使用“LOGIC STATE”替代。

学生分析并仿真原始电路，后就会发现电路存在的问题:①该电路只能实现数码管显示0-7的效果，这显然与设计要求中的要求显示1-8不符;②原始电路中并没有加入锁存电路;③“开始”和“复位”按钮也没有出现在原始电路中。这些功能都需要学生自己添加，指导教师可以让学生通过回顾各种中规模集成电路的功能来参与设计。通过在标准按钮上连接虚拟示波器，学生可以理解按钮被按下时引脚状态的变化过程和反馈的概念等。

以在数码管上对应8路按键分别显示1-8为例，教师可以引导学生思考有哪些条件可以使得数码管显示8。结合设计实验前对74LS47显示译码器逻辑功能的验证，提出使得数码管显示8的两种方法:一种方法是使BCD码输入端的高位即“D”端输入为1，“A”、“B”和“C”引脚输入为 0，另一种则是将LT(测灯输入端)设置为0。再结合图1所示电路的仿真效果，引导学生利用74LS148的I0输入来对显示译码器进行控制，实现显示效果。教师可以引导学生分析第一种方法可能存在的问题，并要求学生通过电路仿真加以验证。考虑到当I0信号与其他抢答按键同时有效时，第一种方法存在显示错误的可能，第二种显示电路方案如图2所示。

图2 修改后的编码显示电路仿真

以按下“开始”按钮后的发声部分电路为例，该电路使用555的单稳态电路实现，仿真电路如图3所示。触发信号输入后，发声时间的长短需要通过R2和C1大小来控制。调整过程中不仅可以听到蜂鸣器的响声，还可以使用Proteus中的虚拟示波器查看电路响应。图4是电路仿真时在Proteus中看到单稳态电路的实时输入输出波形。

图3 555单稳态电路

图4 单稳态电路波形

锁存电路是八路抢答器设计的关键，实验通过74LS373和D触发器的应用加深学生对时序逻辑的认识。以D触发器为例，实验通过两个典型的D触发器应用电路让学生理解异步置位端(R*和S*)、时钟输入端及D输入端的关系。图5为学生设计的八路抢答器仿真电路。

图5 八路抢答器电路仿真

在图中的①所示，电路通过R*和S*直接实现电路状态的维持功能，可应用在“开始”和“复位”按钮电路中。

在图中的②所示，电路通过对D端的控制，依照D触发器的特征方程:Qn+1=D，分别实现只响应一次上升沿输入的锁存功能和有条件置零功能。

3 结语

本文以八路抢答器作为一典型设计实例，实验过程中充分发挥了Proteus软件优势，通过快捷的电路图绘制和修改方式，直观的电路仿真，充分调动了学生的学习积极性。学生根据自己的认识，设计出了多种不同的电路。学生通过实验加深了对典型中规模集成电路的应用认识。

[1]周润景，张丽娜.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

[2]吴小花，吴先球.Proteus电路设计与仿真在教学中的实践[J].北京:计算机系统应用，2010(2)，201-204

[3]杨增汪，陈斯，戴新宇.基于Proteus的电类综合实验系统的构建[J].北京:中国现代教育装备，2010(15)，116-118

[4]匡载华，邓小鹏.电子类学科专业Proteus实验室的建设[J].北京:实验技术与管理，2009，26(1):155-158