Proteus数字电路的设计与仿真

图2-20 由集成555定时器构成的多谐振荡器
图2-21 多谐振荡器示波器的波形
555定时器组成的单稳态电路 定时器组成的单稳态电路
555定时器接成单稳态电路时，通过外部触发可产 生单脉冲，且脉冲宽度Tw可通过下面式子计算。 VCC − 0 TW = R2C1 ln = R2C1 ln3 = 1.1R2C1 2 VCC − VCC 3
图2-10 子类LEDs 中的器件
“Bargraph Displays”条状显示子类中只有两个元件， 如图2-11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2-11 条状显示
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。
图2-4 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 2-5所示。
图2-5 直接拾取元件对话框
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2-6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
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2-1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2-1 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2-2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 提醒大家注意的是，它们的工作电压和逻辑 电平标准并不完全一致。
S1 S2 CP 0 & Sd J0 Q0 CP 0 K0 Q0 J1 Q1 CP 1 K1 Q1 J2 Q2 CP 2 K2 Q2 J3 Q3 CP 3 K3 Q3 Q0 Q1 Q2 Q3
R d CP 1 R1 & R2
图2-35 74LS90接成的十进制计数器
图2-36 74LS90的内部原理图
图2-12 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2-13所示。
图2-13 部分元件和调试工具的使用方法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 数电中常用的555 定 时 器 数电中常用的
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。
60进制计数器
本题目的核心器件是计数器。计数器的选择很多， 常用的有同步十进制计数器74HC160以及异步二、 五、十进制计数器74LS90。这里选用74LS90芯片。 74LS90的引脚图如图2-34所示。
图2-34 74LS90引脚图
毫无疑问，本题每个74LS90都应首先接成十进制计数器，如图2-35所示。 74LS90内部原理如图2-36所示，这是一个异步时序电路。图中的S1、 S2对应于集成芯片的6、7管脚，R1、R2对应于集成芯片的2、3管脚， CP0对应于14管脚，CP1对应于12管脚，Q3、Q2、Q1、Q0分别对应于 11、8、9、12管脚。
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2-12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。
另外，元件也可按生产厂家来查找，如图2-3中的Fairchild、 Miccochip和Texas Instruments都是制造商的名称。
图2-3 4000系列元件的子类
2. TTL 74系列 系列
TTL74系列根据制造工艺的不同又分为如图2-4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2-19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。
2.2 Proteus数字电路的设计与仿真
数字电路不同于模拟电路，它是以数字 信为处理对象，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。 本节我们以数字逻辑电路设计中的经典 例子，来说明Proteus在数字电路的分析和 设计中的强有力辅助作用。
数字电路中的常用元件与仪器 1. CMOS 4000系列 系列
555定时器组成的多谐振荡器 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2-15所示
图2-15 555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。
7-Segment Displays
Optocouplers
光电耦合器
常用的发光二极管LEDs子类中的元件如图2-10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。
图2-22为单稳态电路的仿真图。其中R1和按钮组成一个负脉 冲发生器，操作时动作尽量为快，这个时间要远远小于Tw的 宽度才能观察到效果。示波器的图形如图2-23所示，其中上 方的正脉冲为单稳态电路的输出，下方为触发脉冲。
图2-22 555构成的单稳态电路
图2-23 555构成的单稳态电路示波器波形
图2-6 数据转换器类元件拾取对话框
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2-7所示。
图2-7 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列类元件
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2-8所示。
图2-8 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。 比如，图2-8中右面前三行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、九行三个数码管都是七段共阴极接法，使用时输入端应用接显示译码器7448。 我们来仔细看一下显示器件的子类划分，如图2-9所示。显示器件共分十类，如表2-2所示。
图2-19 添加模拟量轨迹对话框
移动鼠标指针到图表分析框的标题处，鼠标变成画笔状，双击，出现图 表分析的放大画面，可修改它的各项属性，尤其是背景及轨迹的颜色。 555定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式为
1 f = = 1 .4 ( 2 R 2 + R 1 ) C 1 T
由此可计算出图2-15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2-20所示。示波器的动态波形如图2-21所示。
图2-9 显示器件的子类
表2-2 显示器件的分类
名 称 含 七段显示 LCD Controllers Alphanumeric LCDs Bargraph Displays Dot Matrix Displays Graphical LCDs Lamps 数码液晶显示 条状显示(十位) 点阵显示 图形液晶显示 Serial LCDs 灯泡 串行液晶显示器 LEDs 发光二极管 液晶控制器 义 名 称 含 义
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2-16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2-17所示。
图2-16 图表类型选择
图2-17 图表分析框
在图2-17中的非标题区，即中间的空白区双击，出现如图218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。
图2-2 BCD到七段显示译码器4511与7448
4000系列元件的子类划分，如图2-3所示，和74系列也是对应的，如表2-1所示。
名 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 称 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 含 义