第3讲 数字电路的仿真实验
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图3-20 由集成555定时器构成的多谐振荡器
图3-5 直接拾取元件对话框
3.1.3 数据转换器
❖ 数据转换器在Proteus元件拾取对话框中的 “Data Converters”类中，如图3-6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、3(1/2)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
❖ 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。
3.2.1 555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3-14，其中4端复位 未给出。
❖ 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。
含义 加法器 缓冲器和驱动器 比较器 计数器 译码器 编码器 触发器和锁存器 分频器和定时器 门电路和反相器 存储器 混杂逻辑器件 选择器 多谐振荡器 锁相环 寄存器 信号开关
❖ 另外，元件也可按生产厂家来查找，如图3-3中的 Fairchild、Microchip和Texas Instruments都是 制造商的名称。
图3-1 CMOS 4000系列元件
❖ 4000系列与74系列是对应的，比如4000系列 的4511和74系列的7448对应，都是BCD到七 段显示译码器，输出高电平有效，如图3-2所 示。
❖ 从图中可以看出，除了4、5管脚的标识和用 法稍有不同外，其他管脚号及标识都一样。 它们用来驱动共阴极七段数码显示。但需要 注意的是，它们的工作电压和逻辑电平标准 并不完全一致。
图3-15 555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。
Graphical LCDs
七段显示 数码液晶显示 条状显示(十位) 点阵显示 图形液晶显示
LCD Controllers 液晶控制器
LEDs
发光二极管
Optocouplers 光电耦合器
Serial LCDs
串行液晶显示器
Lamps
灯泡
❖ 常用的发光二极管LEDs子类中的元件如图3-10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，我们规定，ACTIVE库中 的元件是能动画演示的，而DEVICE是不能的。
❖ 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3-16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3-17所示。
图3-16 图表类型选择
图3-17 图表分析框
❖ 在图3-17中的非标题区，即中间的空白区双击，出现如图318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。
❖ 我们来仔细看一下显示器件的子类划分，如图3-9 所示。显示器件共分十类，如表3-2所示。
图3-9 显示器件的子类
表3-2 显示器件的分类
名称
含义
名称
含义பைடு நூலகம்
7-Segment Displays
Alphanumeric LCDs
Bargraph Displays
Dot Matrix Displays
❖ 按“Space”空格键即生成相应的波形，而不必点击 仿真运行按钮。
图3-19 添加模拟量轨迹对话框
❖ 555定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式为
T T o o fn f ( R R 21 C 1lR n2 0 0 )C 1 V V ln T T V V C C C C R 2V V C T T 1 ln 2(R 1 R 2 )C 1 ln 2
❖ 图3-8中右面前三行（7SEG-BCD）列举的元件都 是七段BCD数码显示，输入为四位BCD码，用时可 省去显示译码器；第四、五、六行（7SEG-COMAN）都是七段共阳极数码管，输入端应接显示译 码器7447。第七、八、九行（7SEG-COM-CAT） 三个数码管都是七段共阴极接法，使用时输入端应 接显示译码器7448。
图3-3 4000系列元件的子类
3.1.2 TTL 74系列
❖ TTL74系列根据制造工艺的不同又分为如图3-4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。
图3-4 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 3-5所示。
3.1.5 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3-8 所示。
图3-8 显示器件
❖ 常用的七段显示，元件名的前缀为7SEG-，在用到 此类元件时，采取部分查询方法，直接在 “Keywords”中输入“7SEG-”即可，根据元件后 面的英文说明来选取所需元件。
3.1.6 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3-12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。
❖ 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3-3所示。
表3-3 555定时器输入输出之间的关系
输入
输出
复位 (4) 低
图3-2 BCD到七段显示译码器4511与7448
4000系列元件的子类划分，和74系列也是对应的，如表3-1所示。
名称 Adders Buffers & Drivers Comperators Counters Decoders Encoders Flip-Flops & Latches Frequency Dividers & Timers Gates & Inverters Memory Misc. Logic Multiplexers Multivibrators Phase-Locked-Loops(PLL) Registers Signal Switches
T T o n T o f f ( 2 R 2 R 1 ) C 1 l n 2 0 . 7 ( 2 R 2 R 1 ) C 1
f T 11.4(2R2R 1)C 1
其中
VT
1 3 VCC
VT
2 3 VCC
由此可计算出图3-15中的输出频率约为1Hz。
❖ 由集成器件连接而成的频率可调的方波发生器电路 如图3-20所示。示波器的动态波形如图3-21所示。
❖ 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。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3-12 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3-13所示。
图3-13 部分元件和调试工具的使用方法
3.2 555 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。
VI1(6)
VI2(2)
VO(3) 低
Q1 状 态
导通
高 >2VCC >VCC 低 /3 /3
导通
高 <2VCC >VCC 不变 不变 /3 /3
高 <2VCC <VCC 高 /3 /3
关断
高 >2VCC <VCC 不确 不确
3.2.2 555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3-15所示
图3-6 数据转换器类元件拾取对话框
3.1.4 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3-7所示。
图3-7 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列类元件
第三讲 数字电路的仿真实验
3.1 数字电路中的常用元件与仪器 3.2 555定时器 3.3 数字钟
❖数字电路不同于模拟电路，它是以数字信号为处理 对象，研究各输入与输出之间的联系，实现一定的逻 辑关系的电路。
❖数字逻辑基础主要涵盖数制与编码、布尔代数及其 逻辑实现、集成逻辑电路和触发器，为电路分析和设 计准备基础知识；
❖ 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3-14 555定时器的内部仿真原理图
图3-10 子类LEDs 中的器件
❖ “Bargraph Displays”条状显示子类中只有两个元 件，如图3-11所示。主要区别在于颜色不同，这个 元件相当于十个LED二极管并排放置在一起，管脚 号小的一端接高电平，管脚号大的一端接低电平。 在多个发光二极管共同使用时，通常用它比较方便。
图3-11 条状显示
图3-18 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。
❖ 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3-19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”。
❖数字电路的分析和设计方法，包括组合逻辑电路、 同步时序逻辑电路、异步时序逻辑电路以及脉冲产生 与整形电路；可编程逻辑器件，包括ROM、PLA、 PAL、GAL及在系统编程技术。
3.1 数字电路中的常用元件与仪器
3.1.1 CMOS 4000系列
❖ 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3-1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3-5 直接拾取元件对话框
3.1.3 数据转换器
❖ 数据转换器在Proteus元件拾取对话框中的 “Data Converters”类中，如图3-6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、3(1/2)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
❖ 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。
3.2.1 555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3-14，其中4端复位 未给出。
❖ 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。
含义 加法器 缓冲器和驱动器 比较器 计数器 译码器 编码器 触发器和锁存器 分频器和定时器 门电路和反相器 存储器 混杂逻辑器件 选择器 多谐振荡器 锁相环 寄存器 信号开关
❖ 另外，元件也可按生产厂家来查找，如图3-3中的 Fairchild、Microchip和Texas Instruments都是 制造商的名称。
图3-1 CMOS 4000系列元件
❖ 4000系列与74系列是对应的，比如4000系列 的4511和74系列的7448对应，都是BCD到七 段显示译码器，输出高电平有效，如图3-2所 示。
❖ 从图中可以看出，除了4、5管脚的标识和用 法稍有不同外，其他管脚号及标识都一样。 它们用来驱动共阴极七段数码显示。但需要 注意的是，它们的工作电压和逻辑电平标准 并不完全一致。
图3-15 555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。
Graphical LCDs
七段显示 数码液晶显示 条状显示(十位) 点阵显示 图形液晶显示
LCD Controllers 液晶控制器
LEDs
发光二极管
Optocouplers 光电耦合器
Serial LCDs
串行液晶显示器
Lamps
灯泡
❖ 常用的发光二极管LEDs子类中的元件如图3-10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，我们规定，ACTIVE库中 的元件是能动画演示的，而DEVICE是不能的。
❖ 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3-16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3-17所示。
图3-16 图表类型选择
图3-17 图表分析框
❖ 在图3-17中的非标题区，即中间的空白区双击，出现如图318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。
❖ 我们来仔细看一下显示器件的子类划分，如图3-9 所示。显示器件共分十类，如表3-2所示。
图3-9 显示器件的子类
表3-2 显示器件的分类
名称
含义
名称
含义பைடு நூலகம்
7-Segment Displays
Alphanumeric LCDs
Bargraph Displays
Dot Matrix Displays
❖ 按“Space”空格键即生成相应的波形，而不必点击 仿真运行按钮。
图3-19 添加模拟量轨迹对话框
❖ 555定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式为
T T o o fn f ( R R 21 C 1lR n2 0 0 )C 1 V V ln T T V V C C C C R 2V V C T T 1 ln 2(R 1 R 2 )C 1 ln 2
❖ 图3-8中右面前三行（7SEG-BCD）列举的元件都 是七段BCD数码显示，输入为四位BCD码，用时可 省去显示译码器；第四、五、六行（7SEG-COMAN）都是七段共阳极数码管，输入端应接显示译 码器7447。第七、八、九行（7SEG-COM-CAT） 三个数码管都是七段共阴极接法，使用时输入端应 接显示译码器7448。
图3-3 4000系列元件的子类
3.1.2 TTL 74系列
❖ TTL74系列根据制造工艺的不同又分为如图3-4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。
图3-4 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 3-5所示。
3.1.5 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3-8 所示。
图3-8 显示器件
❖ 常用的七段显示，元件名的前缀为7SEG-，在用到 此类元件时，采取部分查询方法，直接在 “Keywords”中输入“7SEG-”即可，根据元件后 面的英文说明来选取所需元件。
3.1.6 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3-12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。
❖ 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3-3所示。
表3-3 555定时器输入输出之间的关系
输入
输出
复位 (4) 低
图3-2 BCD到七段显示译码器4511与7448
4000系列元件的子类划分，和74系列也是对应的，如表3-1所示。
名称 Adders Buffers & Drivers Comperators Counters Decoders Encoders Flip-Flops & Latches Frequency Dividers & Timers Gates & Inverters Memory Misc. Logic Multiplexers Multivibrators Phase-Locked-Loops(PLL) Registers Signal Switches
T T o n T o f f ( 2 R 2 R 1 ) C 1 l n 2 0 . 7 ( 2 R 2 R 1 ) C 1
f T 11.4(2R2R 1)C 1
其中
VT
1 3 VCC
VT
2 3 VCC
由此可计算出图3-15中的输出频率约为1Hz。
❖ 由集成器件连接而成的频率可调的方波发生器电路 如图3-20所示。示波器的动态波形如图3-21所示。
❖ 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。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3-12 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3-13所示。
图3-13 部分元件和调试工具的使用方法
3.2 555 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。
VI1(6)
VI2(2)
VO(3) 低
Q1 状 态
导通
高 >2VCC >VCC 低 /3 /3
导通
高 <2VCC >VCC 不变 不变 /3 /3
高 <2VCC <VCC 高 /3 /3
关断
高 >2VCC <VCC 不确 不确
3.2.2 555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3-15所示
图3-6 数据转换器类元件拾取对话框
3.1.4 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3-7所示。
图3-7 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列类元件
第三讲 数字电路的仿真实验
3.1 数字电路中的常用元件与仪器 3.2 555定时器 3.3 数字钟
❖数字电路不同于模拟电路，它是以数字信号为处理 对象，研究各输入与输出之间的联系，实现一定的逻 辑关系的电路。
❖数字逻辑基础主要涵盖数制与编码、布尔代数及其 逻辑实现、集成逻辑电路和触发器，为电路分析和设 计准备基础知识；
❖ 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3-14 555定时器的内部仿真原理图
图3-10 子类LEDs 中的器件
❖ “Bargraph Displays”条状显示子类中只有两个元 件，如图3-11所示。主要区别在于颜色不同，这个 元件相当于十个LED二极管并排放置在一起，管脚 号小的一端接高电平，管脚号大的一端接低电平。 在多个发光二极管共同使用时，通常用它比较方便。
图3-11 条状显示
图3-18 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。
❖ 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3-19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”。
❖数字电路的分析和设计方法，包括组合逻辑电路、 同步时序逻辑电路、异步时序逻辑电路以及脉冲产生 与整形电路；可编程逻辑器件，包括ROM、PLA、 PAL、GAL及在系统编程技术。
3.1 数字电路中的常用元件与仪器
3.1.1 CMOS 4000系列
❖ 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3-1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。