2.2 Proteus數(shù)字電路的設(shè)計與仿真,數(shù)字電路不同于模擬電路，它是以數(shù)字信為處理對象，研究各輸入與輸出之間的聯(lián)系，實現(xiàn)一定的邏輯關(guān)系的電路。 本節(jié)我們以數(shù)字邏輯電路設(shè)計中的經(jīng)典例子，來說明Proteus在數(shù)字電路的分析和設(shè)計中的強有力輔助作用。,1. CMOS 4000系列,打開拾取元件對話框，在類別中位于第三的是CMOS 4000 series，即CMOS 4000系列元件，如圖2-1所示，它是一種早期生產(chǎn)的CMOS器件，在國外已限用，但由于這類器件比較便宜，目前我們國家使用的還比較多。,數(shù)字電路中的常用元件與儀器,圖2-1 CMOS 4000系列元件,4000系列與74系列是對應(yīng)的，比如4000系列的4511和74系列的7448對應(yīng)，都是BCD到七段顯示譯碼器，輸出高電平有效，如圖2-2所示。從圖中可以看出，除了4、5管腳的標識和用法稍有不同外，其他管腳號及標識都一樣。它們用來驅(qū)動共陰極七段數(shù)碼顯示。但提醒大家注意的是，它們的工作電壓和邏輯電平標準并不完全一致。,圖2-2 BCD到七段顯示譯碼器4511與7448,4000系列元件的子類劃分，如圖2-3所示，和74系列也是對應(yīng)的，如表2-1所示。,另外，元件也可按生產(chǎn)廠家來查找，如圖2-3中的Fairchild、Miccochip和Texas Instruments都是制造商的名稱。,圖2-3 4000系列元件的子類,2. TTL 74系列,TTL74系列根據(jù)制造工藝的不同又分為如圖2-4所示的幾大類，每一類的元件的子類都相似，比如7400和74LS00功能一樣。,圖2-4 TTL 74系列,由于每一類元件眾多，而對于學過數(shù)字電子技術(shù)的讀者來說，對常用的元件功能代號已熟悉，可在元件拾取對話框中的“Keywords”中鍵入元件名稱，采用直接查詢的方式比較省時，如圖 2-5所示。,圖2-5 直接拾取元件對話框,3. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在Proteus元件拾取對話框中的“Data Converters”類中，如圖2-6所示。常用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有并行8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(如ADC0809)、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(如DAC0808)、LF××采樣保持器、MAX××串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器、位雙斜坡AD轉(zhuǎn)換器、具有I2C接口的小型串行數(shù)字濕度傳感器TC74及具有SPI接口的溫度傳感器TC72和TC77等?？砂醋宇悂聿檎?圖2-6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器類元件拾取對話框,4 . 可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列,可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列位于Proteus元件拾取對話框中的 PLDs & FPGAs類中，此類元件較少，沒有再劃分子類，一共有十二個元件，如圖2-7所示。,圖2-7 可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列類元件,5 . 顯示器件,數(shù)字電路分析與設(shè)計中常用的顯示器件在Proteus元件拾取對話框中的Optoelectronics類中，如圖2-8所示。,圖2-8 顯示器件,常用的七段顯示，元件名的前綴為7SEG-，在用到此類元件時，采取部分查詢方法，直接在“Keywords”中輸入“7SEG-”即可，根據(jù)元件后面的英文說明來選取所需元件。 比如，圖2-8中右面前三行列舉的元件都是七段BCD數(shù)碼顯示，輸入為四位BCD碼，用時可省去顯示譯碼器；第四、五、六行都是七段共陽極數(shù)碼管，輸入端應(yīng)接顯示譯碼器7447。第七、八、九行三個數(shù)碼管都是七段共陰極接法，使用時輸入端應(yīng)用接顯示譯碼器7448。 我們來仔細看一下顯示器件的子類劃分，如圖2-9所示。顯示器件共分十類，如表2-2所示。,圖2-9 顯示器件的子類,表2-2 顯示器件的分類,常用的發(fā)光二極管LEDs子類中的元件如圖2-10所示。選用時要用ACTIVE庫中的元件而不用DEVICE庫中的元件，在本書中，我們都使用這一規(guī)定，ACTIVE庫中的元件是能動畫演示的，而DEVICE是不能的，但像一般電阻就不需要動畫演示，可用DEVICE庫中的元件。,圖2-10 子類LEDs 中的器件,“Bargraph Displays”條狀顯示子類中只有兩個元件，如圖2-11所示。主要區(qū)別在于顏色不同，這個元件相當于十個LED二極管并排放置在一起，管腳號小的一端接高電平，管腳號大的一端接低電平。在多個發(fā)光二極管共同使用時，通常用它比較方便。,圖2-11 條狀顯示,6. 調(diào)試工具,數(shù)字電路分析與設(shè)計中常用的調(diào)試工具在Proteus元件拾取對話框中的“Debugging Tools”類中，一共不到二十個，如圖2-12所示。 其中最常用的是邏輯電平探測器LOGICPROBEBIG(用在電路的輸出端)、邏輯狀態(tài)LOGICSTATE和邏輯電平翻轉(zhuǎn)LOGICTOGGLE(用在電路的輸入端)。不妨調(diào)出來試試看。,圖2-12 調(diào)試工具,上述講到的顯示元件和調(diào)試工具，我們已經(jīng)調(diào)出來了一部分，并適當?shù)剡B了線，如圖2-13所示。,圖2-13 部分元件和調(diào)試工具的使用方法,數(shù)電中常用的555 定 時 器,555定時器是一個非常有用的模擬數(shù)字混合器件，我們在進行數(shù)字邏輯電路設(shè)計時經(jīng)常要用它來組成無穩(wěn)態(tài)或單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生連續(xù)或單個脈沖。555定時器能在寬電源電壓范圍內(nèi)工作，可承受較大的負載電流。雙極型555定時器的電源電壓為516V，最大負載電流為200mA。CMOS型7555定時器的電源電壓為318V，最大負載電流為4mA。,555定時器組成的多諧振蕩器,555定時器外接一個電容充放電電路即可構(gòu)成一個無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，在3端產(chǎn)生方波信號，且頻率可調(diào)，如圖2-15所示,圖2-15 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器,在555定時器的電源8端和接地1端之間從上到下串接電阻R4、R5和電容C2。把555定時器的6端和2端(即內(nèi)部兩個電壓比較器的同相和反相輸入端)連在一起，再接到電容C2上端，即兩個比較器的外部輸入電壓都取為電容C2上的變化量，再與各自的固定電壓2Vcc/3和Vcc/3比較，觸發(fā)鎖存器，使Q1飽和導通。因7端接在R5上方，此時相當于接地，C2通過R5放電。然后R4、R5和C2回路再充電，反復進行的結(jié)果，將導致3端輸出方波。 為了觀看這種效果，C2應(yīng)拾取“CAPACITOR”(ACTIVE庫)元件，且在U5前放置“LOGICPROBEBIG”邏輯電平探測器，觀察輸出電平的變化及與Q1導通之間的關(guān)系。,下面再放置一個圖表分析。這在學完第一章已經(jīng)有了初步的印象，圖表分析不同于示波器，可靜態(tài)分析圖形，并且自動生成，還可隨圖形一起打印，用于分析或教學很方便。 圖表中可添加軌跡，所謂軌跡，即電路中被測點的電壓隨時間變化的曲線，可以是模擬量或數(shù)字量。 添加軌跡的第一步是在被測點加上電壓探針，一共加四個，分別為C2上的模擬電壓變化量Vc、內(nèi)部5K電阻上的兩個固定點電壓V2/3和V1/3以及輸出Vout。先運行仿真，可以看到這幾點電壓值的變化情況。,停止仿真。點擊左邊工具欄內(nèi)的圖表類型按鈕，在對象選擇區(qū)“GRAPHS”中選“MIXED”(混合)項，如圖2-16所示。 然后在圖形編輯區(qū)點擊鼠標左鍵拖出一個圖表分析框，再次點擊左鍵確認，如圖2-17所示。,圖2-16 圖表類型選擇,圖2-17 圖表分析框,在圖2-17中的非標題區(qū)，即中間的空白區(qū)雙擊，出現(xiàn)如圖2-18所示的對話框，可修改圖表分析的標題為“555 ANALYSIS”。再把橫軸的時間長度改為6秒。因為本題555構(gòu)成的方波周期為1秒，這樣可出現(xiàn)6個周期，當然也可以再少幾個周期。,圖5-18 修改標題及橫坐標,接下來可在圖表框中加入軌跡，即我們上邊添加的四個電壓探針，但這里我們只添加兩個軌跡，Vc和Vout。這兩個量一個為模擬量，一個為數(shù)字量。加入軌跡時，多個模擬量的縱坐標起始點一般是一樣的，數(shù)字量則位于不同的位置。為了使Vc和Vout位于同一起始高度，必須把二者都當作模擬量來添加。在圖表框內(nèi)點擊右鍵即出現(xiàn)右鍵菜單，選取“Add Traces”，出現(xiàn)一個對話框。先選擇軌跡類型為“Analog” 模擬量，在Probe P1中出現(xiàn)四個探針，選擇Vc，如圖2-19所示，點擊“OK”，關(guān)閉對話框。再重復添加軌跡，仍選擇軌跡類型“Analog”，在Probe P1中選擇“Vout”。 按“Space”空格鍵即生成相應(yīng)的波形，而不必點擊仿真運行按鈕。,圖2-19 添加模擬量軌跡對話框,移動鼠標指針到圖表分析框的標題處，鼠標變成畫筆狀，雙擊，出現(xiàn)圖表分析的放大畫面，可修改它的各項屬性，尤其是背景及軌跡的顏色。 555定時器接成多諧振蕩器時的頻率計算公式為,由此可計算出圖2-15中的輸出頻率約為1Hz。 由集成器件連接而成的頻率可調(diào)的方波發(fā)生器電路如圖2-20所示。示波器的動態(tài)波形如圖2-21所示。,圖2-20 由集成555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器,圖2-21 多諧振蕩器示波器的波形,555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路,555定時器接成單穩(wěn)態(tài)電路時，通過外部觸發(fā)可產(chǎn)生單脈沖，且脈沖寬度Tw可通過下面式子計算。,圖2-22為單穩(wěn)態(tài)電路的仿真圖。其中R1和按鈕組成一個負脈沖發(fā)生器，操作時動作盡量為快，這個時間要遠遠小于Tw的寬度才能觀察到效果。示波器的圖形如圖2-23所示，其中上方的正脈沖為單穩(wěn)態(tài)電路的輸出，下方為觸發(fā)脈沖。,圖2-22 555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路,圖2-23 555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路示波器波形,60進制計數(shù)器,本題目的核心器件是計數(shù)器。計數(shù)器的選擇很多，常用的有同步十進制計數(shù)器74HC160以及異步二、五、十進制計數(shù)器74LS90。這里選用74LS90芯片。 74LS90的引腳圖如圖2-34所示。,圖2-34 74LS90引腳圖,毫無疑問，本題每個74LS90都應(yīng)首先接成十進制計數(shù)器，如圖2-35所示。 74LS90內(nèi)部原理如圖2-36所示，這是一個異步時序電路。圖中的S1、S2對應(yīng)于集成芯片的6、7管腳，R1、R2對應(yīng)于集成芯片的2、3管腳，CP0對應(yīng)于14管腳，CP1對應(yīng)于12管腳，Q3、Q2、Q1、Q0分別對應(yīng)于11、8、9、12管腳。,圖2-35 74LS90接成的十進制計數(shù)器,圖2-36 74LS90的內(nèi)部原理圖,分步設(shè)計與仿真,個位向十位的進位實現(xiàn)。 用兩片74LS90異步計數(shù)器接成一個異步的60進制計數(shù)器。所謂異步60進制計數(shù)器，即兩片74LS90的時鐘不一致。個位時鐘為1Hz方波來計秒，十位計數(shù)器的時鐘信號需要從個位計數(shù)器來提供。 進位信號的要求是在十個秒脈沖中只產(chǎn)生一個下降沿，且與第十秒的下降沿對齊。只能從個位計數(shù)器的輸出端來提供，不可能從其輸入端來找。而計數(shù)器的輸出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四個信號，要么是其中一個，要么是它們之間的邏輯運算結(jié)果。,把個位的四個輸出波形畫出來，如圖2-37所示。由于74LS90是在時鐘的下降沿到來時計數(shù)，所以Q3正好符合要求，在十秒之內(nèi)只給出一個下降沿，且與第十秒的下降沿對齊。Q2雖然也只產(chǎn)生一個下降沿，但產(chǎn)生的時刻不對。,圖2-37 74LS90接成的個位計數(shù)器時序圖,這樣，個位和十位之間的進位信號就找到了，把個位的Q3(11端)連接到十位的CKA(14端)上。 六十進制的實現(xiàn)。 當計秒到59時，希望回00。此時個位正好是計滿十個數(shù)，不用清零即可自動從9回0；十位應(yīng)接成六進制，即從05循環(huán)計數(shù)。用異步清零法，當6出現(xiàn)的瞬間，即Q3Q2Q1Q0=0110時，同時給R0(1)和R0(1)高電平，使這個狀態(tài)變成0000，由于6出現(xiàn)的時間很短，被0取代。接線如圖2-38所示。,圖2-38 74LS90接成的60進制計數(shù)器,