基于Proteus 数字电路的分析与设计

图5-4 TTL 74系列

由于每一类元件众多，而对于学过数字电子技术的读者来说， 对常用的元件功能代号已熟悉，可在元件拾取对话框中的 “Keywords”中键入元件名称，采用直接查询的方式比较省 时，如图 5-5所示。
图5-5 直接拾取元件对话框
5.1.3 数据转换器
数据转换器在Proteus元件拾取对话框中的
第5章 数字电路的分析与设计

5.1 数字电路中的常用元件与仪 器


5.3 四路彩灯

5.1.1 CMOS 4000系列 5.1.2 TTL 74系列 5.1.3 数据转换器 5.1.4 可编程逻辑器件及现场可 编程逻辑阵列 5.1.5 显示器件 5.1.6 调试工具
图5-18 修改标题及横坐标
接下来可在图表框中加入轨迹，即我们上边添加的 四个电压探针，但这里我们只添加两个轨迹，Vc和 Vout。这两个量一个为模拟量，一个为数字量。加 入轨迹时，多个模拟量的纵坐标起始点一般是一样 的，数字量则位于不同的位置。为了使Vc和Vout位 于同一起始高度，必须把二者都当作模拟量来添加。 在图表框内点击右键即出现右键菜单，选取“Add Traces”，出现一个对话框。先选择轨迹类型为 “Analog” 模拟量，在Probe P1中出现四个探针， 选择Vc，如图5-19所示，点击“OK”，关闭对话框。 再重复添加轨迹，仍选择轨迹类型“Analog”，在 Probe P1中选择“Vout”。 按“Space”空格键即生成相应的波形，而不必点击 仿真运行按钮。

5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4
核心器件74LS194简介 题目分析与设计 仿真 扩展电路
ห้องสมุดไป่ตู้

5.4 八路抢答器
5.4.1 核心器件74LS148简介 5.4.2 题目分析与设计
5.2 555定时器
5.2.1 555定时器的内部构成 5.2.2 555定时器组成的多谐振

停止仿真。点击左边工具栏内的图表类型按钮，在对象选择区 “GRAPHS”中选“MIXED”(混合)项，如图5-16所示。 然后在图形编辑区点击鼠标左键拖出一个图表分析框，再次点击左键确 认，如图5-17所示。
图5-16 图表类型选择
图5-17 图表分析框

在图5-17中的非标题区，即中间的空白区双击，出现如图518所示的对话框，可修改图表分析的标题为“555 ANALYSIS”。再把横轴的时间长度改为6秒。因为本题555 构成的方波周期为1秒，这样可出现6个周期，当然也可以再 少几个周期。

另外，元件也可按生产厂家来查找，如图5-3中的Fairchild、 Miccochip和Texas Instruments都是制造商的名称。
图5-3 4000系列元件的子类
5.1.2 TTL 74系列

TTL74系列根据制造工艺的不同又分为如图5-4所示的几大类，每一类的 元件的子类都相似，比如7400和74LS00功能一样。
5.1 数字电路中的常用元件与仪器
由于Proteus为英文界面，这对于部分专业英
文不太好的读者来说，调用各类元件是件头 疼的事。我们除了在第二章把元件的分类给 大家作了系统介绍外，还会在各章对各类常 用元件和仪器做进一步的介绍。希望读者能 够通过重复来加深记忆，熟能生巧。
5.1.1 CMOS 4000系列
图5-12 调试工具

上述讲到的显示元件和调试工具，我们已经调出来 了一部分，并适当地连了线，如图5-13所示。
图5-13 部分元件和调试工具的使用方法
5.2 555 定 时 器
555定时器是一个非常有用的模拟数字混合器件， 我们在进行数字逻辑电路设计时经常要用它来组成 无稳态或单稳态电路，产生连续或单个脉冲。555 定时器能在宽电源电压范围内工作，可承受较大的 负载电流。双极型555定时器的电源电压为5~16V， 最大负载电流为200mA。CMOS型7555定时器的电 源电压为3~18V，最大负载电流为4mA。 下面我们对555定时器内部的工作原理及几种应用 电路进行详细介绍。
义
名
称
含
义
7-Segment Displays
LEDs
发光二极管
Optocouplers
光电耦合器

常用的发光二极管LEDs子类中的元件如图5-10所示。选用 时要用ACTIVE库中的元件而不用DEVICE库中的元件，在 本书中，我们都使用这一规定，ACTIVE库中的元件是能动 画演示的，而DEVICE是不能的，但像一般电阻就不需要动 画演示，可用DEVICE库中的元件。
“Data Converters”类中，如图5-6所示。常 用数据转换器有并行8位模数转换器(如 ADC0809)、8位数模转换器(如DAC0808)、 LF××采样保持器、MAX××串行数模转换 器、位双斜坡AD转换器、具有I2C接口的小 型串行数字湿度传感器TC74及具有SPI接口 的温度传感器TC72和TC77等。可按子类来 查找

5.2.1 555定时器的内部构成
555定时器因其内部有三个5K串联电阻而得
名。内部仿真原理图见图5-14，其中4端复位 未给出。U1和U2为两个模拟器件，接成了电 压比较器；U3和U4两个与非门接成了低电平 输入有效的锁存器，前面各加上一个反相器， 变成了输入高电平有效的锁存器，U5为反相 缓冲器，驱动输出；Q1为三极管，发射极1 端应接地，通过控制其基极电位使其工作在 导通或关断两个状态。
图5-14 555定时器的内部仿真原理图

由于理想运放输入 端电流可考虑为零， 所以三个5K电阻串 联对8端的直流电 源Vcc进行分压， 其中U1的反相端和 U2的同相端分别为 2Vcc/3和Vcc/3。 555定时器的三个 输入端与输出端及 内部三极管的状态 之间的关系如表5-3 所示。
表5-3 555定时器输入输出之间的关系
输 复位(4) 低 高 VI1(6) >2VCC/3 入 VI2(2) >VCC/3 VO(3) 低 低 输 出 Q1 状态 导通 导通
高
<2VCC/3
>VCC/3
不变
不变
高
<2VCC/3
<VCC/3
高
关断
高
>2VCC/3
<VCC/3
高
关断
5.2.2 555定时器组成的多谐振荡器

555定时器外接一个电容充放电电路即可构成一个无稳态多谐振荡器， 在3端产生方波信号，且频率可调，如图5-15所示
4000系列元件的子类划分，如图5-3所示，和74系列也是对应的，如表5-1所示。
名 Adders Buffers & Drivers Comperators 称 加法器 缓冲器和驱动器 比较器 含 义
Counters
Decoders Encoders Flip-Flops & Latches Frequency Dividers & Timers Gates & Inverters
图5-6 数据转换器类元件拾取对话框
5.1.4 可编程逻辑器件及现场可编程逻 辑阵列

可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列位于Proteus元件拾取对话框中的 PLDs & FPGAs类中，此类元件较少，没有再划分子类，一共有十二个 元件，如图5-7所示。
图5-7 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列类元件
5.1.6 调试工具
数字电路分析与设计中常用的调试工具在
Proteus元件拾取对话框中的“Debugging Tools”类中，一共不到二十个，如图5-12所 示。 其中最常用的是逻辑电平探测器 LOGICPROBE[BIG](用在电路的输出端)、逻 辑状态LOGICSTATE和逻辑电平翻转 LOGICTOGGLE(用在电路的输入端)。不妨 调出来试试看。
打开拾取元件对话框，在类别中位于第三的
是CMOS 4000 series，即CMOS 4000系列 元件，如图5-1所示，它是一种早期生产的 CMOS器件，在国外已限用，但由于这类器 件比较便宜，目前我们国家使用的还比较多。
图5-1 CMOS 4000系列元件
4000系列与74系列是对应的，比如4000系列
图5-15 555定时器构成的多谐振荡器




在555定时器的电源8端和接地1端之间从上到下串接电阻R4、R5和电容 C2。把555定时器的6端和2端(即内部两个电压比较器的同相和反相输入 端)连在一起，再接到电容C2上端，即两个比较器的外部输入电压都取 为电容C2上的变化量，再与各自的固定电压2Vcc/3和Vcc/3比较，触发 锁存器，使Q1饱和导通。因7端接在R5上方，此时相当于接地，C2通过 R5放电。然后R4、R5和C2回路再充电，反复进行的结果，将导致3端 输出方波。 为了观看这种效果，C2应拾取“CAPACITOR”(ACTIVE库)元件，且在 U5前放置“LOGICPROBE[BIG]”逻辑电平探测器，观察输出电平的变化 及与Q1导通之间的关系。 下面再放置一个图表分析。这在学完第一章已经有了初步的印象，图表 分析不同于示波器，可静态分析图形，并且自动生成，还可随图形一起 打印，用于分析或教学很方便。 图表中可添加轨迹，所谓轨迹，即电路中被测点的电压随时间变化的曲 线，可以是模拟量或数字量。 添加轨迹的第一步是在被测点加上电压探针，一共加四个，分别为C2上 的模拟电压变化量Vc、内部5K电阻上的两个固定点电压V2/3和V1/3以及 输出Vout。先运行仿真，可以看到这几点电压值的变化情况。
5.1.5 显示器件

数字电路分析与设计中常用的显示器件在Proteus元件拾取 对话框中的Optoelectronics类中，如图5-8所示。