数字电路实验剖析

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1、数字电路实验,基于protues7.7中文版,集成门电路逻辑功能测试 交通信号灯工作状态逻辑电路的设计实验 编码器及其应用实验 字段译码器与加法器的逻辑功能测试 带显示功能的8421BCD码加法器的设计实验 带显示功能的简单电子琴电路的设计及仿真实验 触发器及其应用实验 任意进制计数器的设计与仿真,数字电路实验项目,Protues 软件介绍 Protues 基本操作 验证型实验（基本门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路） 设计型实验,内容：,数字电路实验,第一部分 Protues软件介绍,1.1 Protues构成,PROTEUS 是一个完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。 ISIS为

2、功能强大的原理布线工具。 ARES 为PCB设计系统。,1.2 ISIS 输入流程,设置编辑环境：用户可自定义图形外观，包括线宽、填充类型、字符等。 原理图连线：单击元器件引脚或先前连好的线，实现连线；也可用自动连线工具连线。 建立网络表：网络表是电路板与电路原理图之间的纽带。建 立的网络表用于PCB制板。 报表输出：材料报表等。,1.3 VSM 仿真与分析,PROTEUS VSM中的整个电路分析是在ISIS原理图设计模块下延续下来的，原理图中包含： 直接布置在线路上的探针； 电路激励； 虚拟仪器； 曲线图表。,1.3 VSM 仿真与分析,探针,电压探针（Voltage probes）：在模拟

3、电路中记录真实的电压值，而在数字电路中，记录逻辑电平及其强度。 电流探针（Current probes）： 仅可在模拟电路中使用，并可显示电流方向。,1.3 VSM 仿真与分析,激励源,DC：直流电压源； Sine：幅值、频率、相位可控的正弦波发生器。 Pulse：幅值、周期和上升/下降沿时间可控的模拟脉冲发生器。 Exp：指数脉冲发生器。 SFFM：单频率调频波信号发生器。 Pwlin：任意分段线性脉冲、信号发生器。,1.3 VSM 仿真与分析,File：File信号发生器。 Audio：音频信号发生器。 DState：稳态逻辑电平发生器。 DEdge：单边沿信号发生器。 DPulse：单周

4、期数字脉冲发生器。 DClock：数字时钟信号发生器。 DPattern：模式信号发生器。,1.3 VSM 仿真与分析,音频信号激励源,使用Windows WAV 文件作为输入文件。结合音 频分析图表，可以听到电路对音频信号处理后的 声音。,1.3 VSM 仿真与分析,单周期数字 脉冲激励源,1.3 VSM 仿真与分析,数字时钟 信号激励源,1.3 VSM 仿真与分析,虚拟仪器,虚拟示波器 (OSCILLOSCOPE) 逻辑分析仪 (LOGIC ANALYSER) 定时计数器 (COUNTER TIMER) 虚拟终端 (VIRUAL TERMINAL) SPI调试器 (SPI DEBUGGER

5、) I2C调试器 (I2C DEBUGGER) 信号发生器 (SIGNAL GENERATOR) 模式发生器 (PATTERN GENERATOR) 电压表和电流表（AC/DC voltmeters/ammeters）,1.3 VSM 仿真与分析,信号发生器（调幅）,正弦信号 参数,1.3 VSM 仿真与分析,调幅信 号输出,信号发 生器参 数设置,1.3 VSM 仿真与分析,曲线图表,模拟图表（ANALOGUE） 数字图表 (DIGITAL) 混合分析图表 (MIXED) 频率分析图表 (FREQUENCY) 转移特性分析图表 (TRANSFER) 噪声分析图表 (NOISE) 失真分析图表

6、 (DISTORTION),1.3 VSM 仿真与分析,傅立叶分析图表 (FOURIER) 音频分析图表 (AUDIO) 交互分析图表 (INTERACTIVE) 一致性分析图表 (CONFORMANCE) 直流扫描分析图表 (DC SWEEP) 交流扫描分析图表 (AC SWEEP),1.3 VSM 仿真与分析,数字分析图表:用于绘制逻辑电平值随时间变化的曲线。,第二部分 Protues基本操作,2.1 Protues IsIs界面,2.1 Protues IsIs界面,原理图编辑窗口（The Editing Window）：用来绘制原理图。蓝色方框内为可编辑区，元件要放到它里面。可用预览窗

7、口来改变原理图的可视范围。通过鼠标滑轮可缩放窗口。,2.1 Protues IsIs界面,预览窗口（The Overview Window）： 在选择元件时，显示该元件的预览图； 在原理图编辑窗口操作时，显示整张原理图的缩略图。,2.1 Protues IsIs界面,挑选元件及库管理按钮：选取元器件及编辑元件库。必须在元件模式下使用。,对象选择器（The Object Selector）：显示当前编辑所用到的各种元件（components）、终端接口（terminals）、信号发生器 （generators）、仿 真 图 表 （graph） 等。,2.1 Protues IsIs界面,方向工具

8、栏（Orientation Toolbar）： 旋转： 按90的整数倍旋转。 翻转： 包括水平翻转和垂直翻转。 使用方法：在元件列表中单击元件，再点击相应的旋转图标，然后放置。,仿真控制按钮：包括运行、单步运行、暂停、停止。,2.1 Protues IsIs界面,模型选择工具栏（Mode Selector Toolbar） 主要模型（Main Modes）： 1.选择模式：用于即时编辑元件参数 （先单击该图标再单击要修改的元件） 2.元件模式：用于放置和连接元件。 3.节点模式：用于放置连接点。 4.连接标号模式：用于放置网络标号。 5.文字脚本模式：用于放置文本。 6.总线模式：用于绘制总线

9、。 7.子电路模式：用于放置子电路。,2.1 Protues IsIs界面,模型选择工具栏配件（Gadgets）： 1.终端模式：放置常用信号接口。 2.器件引脚模式：绘制各种引脚。 3.图表模式：放置用于各种分析的图表。 4.录音机模式。 5.激励源模式：放置各种激励源。 6.电压探针与电流探针模式：放置用于图表中的探针。 7.虚拟仪器模式：放置各种仿真仪器。,2.1 Protues IsIs界面,模型选择工具栏2D图形（2D Graphics）： 1.画各种直线 2.画各种方框 3.画各种圆 4.画各种圆弧 5.画各种多边形 6.写各种文本 7.画符号 8.画原点等,2.2 Protues

10、基本操作,通过三个组合逻辑设计型实验说明Protues软件的基本操作。（参见第四章课件）,1、监视交通信号灯工作状态电路设计；,2、火车进站指示灯电路设计（练习）；,3、四位格雷码到自然二进制码的转换电路设计（练习）；,目标：1、熟练掌握Protues的基本操作；,2、通过实验对课堂教学实例进行验证，加深对知识点的掌握，提高对数电课程的学习兴趣。,2.2 Protues基本操作,【实例1】设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。,要求：1、用基本门电路实现并验证；,2、用74HC 138芯片实现并验证；,3、用74HC 151、153芯片实现并验证；,2.2 Protues基本操作,【电路设

11、计】1. 逻辑抽象,输入变量: 红（R）、黄（A）、绿（G） 输出变量： 故障信号（Z）,R、A、G 为1表示灯亮，为0表示灯灭； Z为1表示有故障，为0表示无故障。,一、用基本门电路实现并验证,2.2 Protues基本操作,2. 列出真值表,3. 写出逻辑表达式,Z = RAG+ RAG + RAG + RAG+RAG,2.2 Protues基本操作,4. 化简逻辑式,Z = RAG+ RAG + RAG + RAG+RAG,2.2 Protues基本操作,5. 画出电路图,2.2 Protues基本操作(I),【仿真验证】,方法：用 Protues 软件作图，实现电路连接，并通过仿真检验

12、结果的正确性。,2.2 Protues基本操作,操作步骤：,1、进入器件库：在元件模式下，点击对象选择器上方的P 按钮（快捷键P）。,2、搜索元件：勾选“完全匹配”，在“关键字”中输入AND_2（2输入与门）。双击结果，将AND_2添加到对象选择器中。,同样方法添加AND_3、NOT、和OR_4门到对象选择器。,2.2 Protues基本操作,3、放置元件：在对象选择器中点选元件，通过方向工具栏调整元件（在预览窗口中可观察效果）。之后在原理图窗口中点击，出现元件虚影，再次点击放置。,元件的其他操作： 删除元件：右键双击该元件即可。 移动元件：选中元件后直接拖拽。 复制/剪贴/旋转：选中元件后点

13、工具栏中的相应图标。,2.2 Protues基本操作,4、连接导线：在元件引脚处点击，然后移动鼠标到目标引脚处点击。无目标对象的导线双击结束。,导线的其他操作： 删除导线：右键双击该导线即可。 移动导线：选中导线后直接拖拽。 快速连接导线：绘制一组对齐的导线，只需双击引脚即可完成快速互联。,注：移动元件时，导线随引脚一起移动。,2.2 Protues基本操作,5、网络标号：选中连接标号模式，依次建立网络标号：R、A、G、Z。,6、建立激励源：选择激励源中的DCLOCK，为R、A、G建立时钟输入信号，并设置信号周期分别为8S、4S、2S。用来表示3输入信号的所有组合。,7、插入交通灯模型：搜索并

14、添加器件“TRAFFIC LIGHTS”，连接至输入端。,8、插入LED灯模型：搜索并添加器件“LED-RED”，连接至Z端。,2.2 Protues基本操作,8、插入LED灯模型：搜索并添加器件“LED-RED”，正端接Z。,9、连接地信号：在终端模式中选择GROUND，放置后连接LED另一端。,10、仿真：在仿真按钮中点开始，观察输入和输出的变化，验证电路的正确性。,11、输入文本标签：选择文字脚本模式，在合适的位置输入设计名称及作者。例如：“交通信号灯工作状态监视电路。设计者：Dolphin”。,2.2 Protues基本操作,12、用示波器进行仿真分析：在虚拟仪器模式中选择OSCILL

15、OSCOPE，设置标号，观察仿真结果。,13、用逻辑分析仪进行仿真分析：在虚拟仪器模式中选择LOGIC ANALYSER，设置标号，观察仿真结果。,2.2 Protues基本操作,14、用图表进行仿真分析： (1) 在图表模式中选择DIGITAL（数字图表）并放置； (2) 添加电压探针到Z端； (3) 在图表上右键，选择“添加图线”，分别添加R、A、G和Z； (4) 设置“开始时间”和“结束时间”； (5) 在仿真过一次后，右键选择“仿真图表”（快捷键为空格键），观察结果。,2.2 Protues基本操作,2.2 Protues基本操作,15、创建子电路（封装模块）： (1) 创建新文件。点

16、选子电路模式，创建子电路； (2) 右键子电路，选“转到子页面”； (3) 将刚才的电路复制到该页面下（不包括激励、终端及测试工具）； (4) 右键退出到父页面，右键添加子电路引脚； (5) 调整边框大小，输入子电路名称。 (6) 测试子电路功能。,2.2 Protues基本操作,2.2 Protues基本操作,16、电路单步调试： (1) 添加元件，在类别中选择“Debugging Tools”，结果的前四项为：,LogicProbe：单输出信号电平显示；,LogicProbebig：单输出信号电平显示（大图）；,LogicState：单输入电平信号；,LogicToggle：单输入边沿信号；,(2) 添加LogicState到输入端；,(3) 仿真，修改输入值观察输出结果。,2.2 Protues基本操作,二、用74HC138芯片实现并验证,Z = RAG+ RAG + RAG + RAG+RAG,1、将逻辑表达式化为最小项之和的形式：,= m(0,3,5,6,7),2、