roteus数字电路的设计与仿真.ppt

1、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。,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。,数字电路中的常用元件与仪器,图2-1 CMOS 4000系列元件,4000系列与74系列是对应的，

2、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。,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。,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.

3、 TTL 74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)

4、、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,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

5、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2-9 显示器件的子类,表2-2 显示器件的分类,常用

6、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2-10 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,6. 调试工具,数字电路分析与

7、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LOGICPROBEBIG(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。,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,数电中常用的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

8、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516V，最大负载电流为200mA。CMOS型7555定时器的电源电压为318V，最大负载电流为4mA。,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

9、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“LOGICPROBEBIG”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

10、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。,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2-18所示的对话框，可修改图表分

11、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

12、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。,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,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2-20 由集成555定

13、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,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。,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,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

14、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。,图2-35 74LS90接成的十进制计数器,图2-36 74LS90的内部原理图,分步设计与仿真,个位向十位的进位实现。 用两片74LS90异步计数器接成一个异步

15、的60进制计数器。所谓异步60进制计数器，即两片74LS90的时钟不一致。个位时钟为1Hz方波来计秒，十位计数器的时钟信号需要从个位计数器来提供。 进位信号的要求是在十个秒脉冲中只产生一个下降沿，且与第十秒的下降沿对齐。只能从个位计数器的输出端来提供，不可能从其输入端来找。而计数器的输出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四个信号，要么是其中一个，要么是它们之间的逻辑运算结果。,把个位的四个输出波形画出来，如图2-37所示。由于74LS90是在时钟的下降沿到来时计数，所以Q3正好符合要求，在十秒之内只给出一个下降沿，且与第十秒的下降沿对齐。Q2虽然也只产生一个下降沿，但产生的时刻不对。,图2-37 74LS90接成