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2.2 Proteus數(shù)字電路的設(shè)計(jì)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(duì)象，研究各輸入與輸出之間的聯(lián)系，實(shí)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(jì)中的經(jīng)典例子，來(lái)說(shuō)明Proteus在數(shù)字電路的分析和設(shè)計(jì)中的強(qiáng)有力輔助作用。,1. CMOS 4000系列,打開拾取元件對(duì)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(guó)外已限用，但由于這類器件比較便宜，目前我們國(guó)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(duì)應(yīng)的，比如4000系列的4511和74系列的7448對(duì)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(biāo)識(shí)和用法稍有不同外，其他管腳號(hào)及標(biāo)識(shí)都一樣。它們用來(lái)驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)的，如表2-1所示。,另外，元件也可按生產(chǎn)廠家來(lái)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(duì)于學(xué)過(guò)數(shù)字電子技術(shù)的讀者來(lái)說(shuō)，對(duì)常用的元件功能代號(hào)已熟悉，可在元件拾取對(duì)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(shí)，如圖 2-5所示。,圖2-5 直接拾取元件對(duì)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(duì)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?lái)查找,圖2-6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器類元件拾取對(duì)話框,4 . 可編程邏輯器件及現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列,可編程邏輯器件及現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列位于Proteus元件拾取對(duì)話框中的 PLDs & FPGAs類中，此類元件較少，沒(méi)有再劃分子類，一共有十二個(gè)元件，如圖2-7所示。,圖2-7 可編程邏輯器件及現(xiàn)場(chǎng)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(jì)中常用的顯示器件在Proteus元件拾取對(duì)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(shí)，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(shuō)明來(lái)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(shí)可省去顯示譯碼器；第四、五、六行都是七段共陽(yáng)極數(shù)碼管，輸入端應(yīng)接顯示譯碼器7447。第七、八、九行三個(gè)數(shù)碼管都是七段共陰極接法，使用時(shí)輸入端應(yīng)用接顯示譯碼器7448。 我們來(lái)仔細(xì)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(shí)要用ACTIVE庫(kù)中的元件而不用DEVICE庫(kù)中的元件，在本書中，我們都使用這一規(guī)定，ACTIVE庫(kù)中的元件是能動(dòng)畫演示的，而DEVICE是不能的，但像一般電阻就不需要?jiǎng)赢嬔菔?，可用DEVICE庫(kù)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(gè)元件，如圖2-11所示。主要區(qū)別在于顏色不同，這個(gè)元件相當(dāng)于十個(gè)LED二極管并排放置在一起，管腳號(hào)小的一端接高電平，管腳號(hào)大的一端接低電平。在多個(gè)發(fā)光二極管共同使用時(shí)，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(jì)中常用的調(diào)試工具在Proteus元件拾取對(duì)話框中的“Debugging Tools”類中，一共不到二十個(gè)，如圖2-12所示。 其中最常用的是邏輯電平探測(cè)器LOGICPROBE[BIG](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(lái)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(lái)了一部分，并適當(dāng)?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(shí) 器,555定時(shí)器是一個(gè)非常有用的模擬數(shù)字混合器件，我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常要用它來(lái)組成無(wú)穩(wěn)態(tài)或單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生連續(xù)或單個(gè)脈沖。555定時(shí)器能在寬電源電壓范圍內(nèi)工作，可承受較大的負(fù)載電流。雙極型555定時(shí)器的電源電壓為5~16V，最大負(fù)載電流為200mA。CMOS型7555定時(shí)器的電源電壓為3~18V，最大負(fù)載電流為4mA。,555定時(shí)器組成的多諧振蕩器,555定時(shí)器外接一個(gè)電容充放電電路即可構(gòu)成一個(gè)無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，在3端產(chǎn)生方波信號(hào)，且頻率可調(diào)，如圖2-15所示,圖2-15 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,在555定時(shí)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(shí)器的6端和2端(即內(nèi)部?jī)蓚€(gè)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(gè)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(dǎo)通。因7端接在R5上方，此時(shí)相當(dāng)于接地，C2通過(guò)R5放電。然后R4、R5和C2回路再充電，反復(fù)進(jìn)行的結(jié)果，將導(dǎo)致3端輸出方波。 為了觀看這種效果，C2應(yīng)拾取“CAPACITOR”(ACTIVE庫(kù))元件，且在U5前放置“LOGICPROBE[BIG]”邏輯電平探測(cè)器，觀察輸出電平的變化及與Q1導(dǎo)通之間的關(guān)系。,下面再放置一個(gè)圖表分析。這在學(xué)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(dòng)生成，還可隨圖形一起打印，用于分析或教學(xué)很方便。 圖表中可添加軌跡，所謂軌跡，即電路中被測(cè)點(diǎn)的電壓隨時(shí)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(cè)點(diǎn)加上電壓探針，一共加四個(gè)，分別為C2上的模擬電壓變化量Vc、內(nèi)部5K電阻上的兩個(gè)固定點(diǎn)電壓V2/3和V1/3以及輸出Vout。先運(yùn)行仿真，可以看到這幾點(diǎn)電壓值的變化情況。,停止仿真。點(diǎn)擊左邊工具欄內(nèi)的圖表類型按鈕，在對(duì)象選擇區(qū)“GRAPHS”中選“MIXED”(混合)項(xiàng)，如圖2-16所示。 然后在圖形編輯區(qū)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵拖出一個(gè)圖表分析框，再次點(diǎn)擊左鍵確認(rèn)，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(biāo)題區(qū)，即中間的空白區(qū)雙擊，出現(xiàn)如圖2-18所示的對(duì)話框，可修改圖表分析的標(biāo)題為“555 ANALYSIS”。再把橫軸的時(shí)間長(zhǎng)度改為6秒。因?yàn)楸绢}555構(gòu)成的方波周期為1秒，這樣可出現(xiàn)6個(gè)周期，當(dāng)然也可以再少幾個(gè)周期。,圖5-18 修改標(biāo)題及橫坐標(biāo),接下來(lái)可在圖表框中加入軌跡，即我們上邊添加的四個(gè)電壓探針，但這里我們只添加兩個(gè)軌跡，Vc和Vout。這兩個(gè)量一個(gè)為模擬量，一個(gè)為數(shù)字量。加入軌跡時(shí)，多個(gè)模擬量的縱坐標(biāo)起始點(diǎn)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(dāng)作模擬量來(lái)添加。在圖表框內(nèi)點(diǎn)擊右鍵即出現(xiàn)右鍵菜單，選取“Add Traces”，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框。先選擇軌跡類型為“Analog” 模擬量，在Probe P1中出現(xiàn)四個(gè)探針，選擇Vc，如圖2-19所示，點(diǎn)擊“OK”，關(guān)閉對(duì)話框。再重復(fù)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(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕。,圖2-19 添加模擬量軌跡對(duì)話框,移動(dòng)鼠標(biāo)指針到圖表分析框的標(biāo)題處，鼠標(biāo)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(xiàng)屬性，尤其是背景及軌跡的顏色。 555定時(shí)器接成多諧振蕩器時(shí)的頻率計(jì)算公式為,,,,,,,由此可計(jì)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(dòng)態(tài)波形如圖2-21所示。,圖2-20 由集成555定時(shí)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(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)電路,555定時(shí)器接成單穩(wěn)態(tài)電路時(shí)，通過(guò)外部觸發(fā)可產(chǎn)生單脈沖，且脈沖寬度Tw可通過(guò)下面式子計(jì)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(gè)負(fù)脈沖發(fā)生器，操作時(shí)動(dòng)作盡量為快，這個(gè)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)制計(jì)數(shù)器,本題目的核心器件是計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的選擇很多，常用的有同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC160以及異步二、五、十進(jìn)制計(jì)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(wú)疑問(wèn)，本題每個(gè)74LS90都應(yīng)首先接成十進(jìn)制計(jì)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(gè)異步時(shí)序電路。圖中的S1、S2對(duì)應(yīng)于集成芯片的6、7管腳，R1、R2對(duì)應(yīng)于集成芯片的2、3管腳，CP0對(duì)應(yīng)于14管腳，CP1對(duì)應(yīng)于12管腳，Q3、Q2、Q1、Q0分別對(duì)應(yīng)于11、8、9、12管腳。,圖2-35 74LS90接成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,圖2-36 74LS90的內(nèi)部原理圖,分步設(shè)計(jì)與仿真,個(gè)位向十位的進(jìn)位實(shí)現(xiàn)。 用兩片74LS90異步計(jì)數(shù)器接成一個(gè)異步的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。所謂異步60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即兩片74LS90的時(shí)鐘不一致。個(gè)位時(shí)鐘為1Hz方波來(lái)計(jì)秒，十位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)需要從個(gè)位計(jì)數(shù)器來(lái)提供。 進(jìn)位信號(hào)的要求是在十個(gè)秒脈沖中只產(chǎn)生一個(gè)下降沿，且與第十秒的下降沿對(duì)齊。只能從個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端來(lái)提供，不可能從其輸入端來(lái)找。而計(jì)數(shù)器的輸出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四個(gè)信號(hào)，要么是其中一個(gè)，要么是它們之間的邏輯運(yùn)算結(jié)果。,把個(gè)位的四個(gè)輸出波形畫出來(lái)，如圖2-37所示。由于74LS90是在時(shí)鐘的下降沿到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)，所以Q3正好符合要求，在十秒之內(nèi)只給出一個(gè)下降沿，且與第十秒的下降沿對(duì)齊。Q2雖然也只產(chǎn)生一個(gè)下降沿，但產(chǎn)生的時(shí)刻不對(duì)。,圖2-37 74LS90接成的個(gè)位計(jì)數(shù)器時(shí)序圖,這樣，個(gè)位和十位之間的進(jìn)位信號(hào)就找到了，把個(gè)位的Q3(11端)連接到十位的CKA(14端)上。 六十進(jìn)制的實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)計(jì)秒到59時(shí)，希望回00。此時(shí)個(gè)位正好是計(jì)滿十個(gè)數(shù)，不用清零即可自動(dòng)從9回0；十位應(yīng)接成六進(jìn)制，即從0~5循環(huán)計(jì)數(shù)。用異步清零法，當(dāng)6出現(xiàn)的瞬間，即Q3Q2Q1Q0=0110時(shí)，同時(shí)給R0(1)和R0(1)高電平，使這個(gè)狀態(tài)變成0000，由于6出現(xiàn)的時(shí)間很短，被0取代。接線如圖2-38所示。,圖2-38 74LS90接成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器,