Proteus数字电路的设计与仿真.ppt

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，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. 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)、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接成的个位计数器时序图,这样，个位和十位之间的进位信号就找到了，把个位的Q3(11端)连接到十位的CKA(14端)上。 六十进制的实现。 当计秒到59时，希望回00。此时个位正好是计满十个数，不用清零即可自动从9回0；十位应接成六进制，即从05循环计数。用异步清零法，当6出现的瞬间，即Q3Q2Q1Q0=0110时，同时给R0(1)和R0(1)高电平，使这个状态变成0000，由于6出现的时间很短，被0取代。接线如图2-38所示。,图2-38 74LS90接成的60进制计数器,