賈秀玲，姚 聰，張?；?/p>

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.昌吉學(xué)院，新疆 昌吉 831100)

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基于Proteus的舉重裁決器電路設(shè)計(jì)與仿真

賈秀玲1，姚 聰1，張?；?

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.昌吉學(xué)院，新疆 昌吉 831100)

組合邏輯電路設(shè)計(jì)是數(shù)字電路教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。在項(xiàng)目化課程教學(xué)改革中，選擇舉重裁決器的設(shè)計(jì)為項(xiàng)目載體，采用不同的電路設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)電路功能，利用proteus軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路的功能進(jìn)行仿真，比較這幾種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，歸納總結(jié)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)思路和方法，便于學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握組合邏輯電路的要點(diǎn)。

Proteus軟件；舉重比賽；電路設(shè)計(jì)和仿真

0 引言

數(shù)字電路由組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩類典型電路組成，其中組合邏輯電路的設(shè)計(jì)在數(shù)字電路課程中占據(jù)非常重要的地位，它以邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、基本門電路、組合邏輯電路分析為基礎(chǔ)，為后續(xù)時(shí)序邏輯電路的學(xué)習(xí)做好鋪墊。在教學(xué)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)、鼓勵(lì)學(xué)生探索多方案的電路設(shè)計(jì)。本研究通過舉重裁決器的設(shè)計(jì)制作過程，讓學(xué)生體會(huì)、掌握組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)他們利用所學(xué)知識(shí)來分析、解決實(shí)際問題的能力。

Proteus是英國Labcenter electronic公司開發(fā)的一款EDA工具軟件，具有豐富的元件庫、多樣的激勵(lì)源、各種類型的虛擬儀表[1]，可以實(shí)現(xiàn)電路原理圖設(shè)計(jì)、模擬(數(shù)字)電路仿真、單片機(jī)與外圍電路仿真、PCB設(shè)計(jì)，是目前世界上唯一將電路原理圖繪制軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)[2]。在數(shù)字電路課堂教學(xué)中借助Proteus軟件可以讓學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)電路的過程和電路功能有清晰、直觀的認(rèn)識(shí)，提高電路設(shè)計(jì)的效率，能夠?qū)⒖菰锏睦碚撝R(shí)講解變得生動(dòng)有趣，激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的熱情及對(duì)電路設(shè)計(jì)的開發(fā)和創(chuàng)新能力。

1 舉重裁決器電路的設(shè)計(jì)要求

舉重比賽有3名裁判，分別為兩名副裁判和1名主裁判，裁判規(guī)則是只有當(dāng)2名或2名以上的裁判同意，且其中1名為主裁判時(shí)，舉重運(yùn)動(dòng)員試舉才算成功，否則，舉重運(yùn)動(dòng)員失敗。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一款舉重裁決器，實(shí)現(xiàn)以上電路功能。

(1)列出真值表，寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式；

(2)畫出邏輯電路圖，并用proteus軟件對(duì)電路進(jìn)行功能仿真。

2 舉重裁決器的設(shè)計(jì)方法

2.1 用門電路設(shè)計(jì)

組合邏輯電路設(shè)計(jì)的一般步驟為：①首先確定輸入、輸出變量及其取值情況，列真值表；

②根據(jù)真值表，寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式；

③對(duì)邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡；

④畫出邏輯電路圖。

根據(jù)組合邏輯電路設(shè)計(jì)的步驟，舉重裁決器的具體設(shè)計(jì)過程如下：

設(shè)A為主裁判，B、C分別為兩名副裁判，在舉重運(yùn)動(dòng)員試舉時(shí)，裁判員同意，取值為1，否則，取值為0；Y表示舉重的結(jié)果，成功取值為1，失敗取值為0。

①列真值表

根據(jù)題意列出舉重裁決器的真值表如表1所示：

表1 舉重裁決器的真值表

②寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式

根據(jù)真值表，寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式：

③對(duì)邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡

④畫邏輯電路圖

根據(jù)化簡后的邏輯函數(shù)表達(dá)式，畫出邏輯電路圖如圖1所示：

在工程實(shí)際中，根據(jù)圖1所示的電路，動(dòng)手制作舉重裁決器，并不可取。因?yàn)檫壿嬮T要通過集成芯片來實(shí)現(xiàn)其功能，電路中含有兩種邏輯門，就需要兩種不同類型的集成芯片，增加了電子產(chǎn)品的制造成本。由于一個(gè)集成塊內(nèi)通常有多個(gè)相同的邏輯門，因此借助摩根定律，將化簡后的邏輯函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與非-與非表達(dá)式，可用同一種類型的邏輯門來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能，降低成本。

所以，對(duì)Y=AB+AC兩次取非，可得

根據(jù)上式，只要用1片集成與非邏輯門74LS00就能實(shí)現(xiàn)舉重裁決器的邏輯功能，其邏輯圖如圖2所示。

2.2 用譯碼器設(shè)計(jì)

譯碼是編碼的逆過程，具有譯碼功能的組合邏輯電路稱為譯碼器。譯碼器的種類很多，但它們的工作原理和分析設(shè)計(jì)方法大同小異，日常生活中使用比較廣泛的典型譯碼電路有二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器[3]。

二進(jìn)制碼譯碼器，其輸出變量為輸入變量最小項(xiàng)的形式，也稱最小項(xiàng)譯碼器，所以可以用譯碼器來實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的功能，如3線-8線譯碼器74LS138，功能表如表2所示。

表2 74LS138的功能表

根據(jù)功能表可以寫出輸出變量的表達(dá)式為：

…

舉重裁決器的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：

2.3 用數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)選擇器的功能是在輸入地址譯碼的控制下，能夠從多路輸入信號(hào)中選出一個(gè)特定的信號(hào)送到輸出端的組合邏輯電路，又稱為多路選擇器或多路開關(guān)[3]。

74LS151是集成8選1數(shù)據(jù)選擇器，它的功能表如表3所示。

根據(jù)74LS151的功能表可以寫出輸出變量Y的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：

根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)，畫出邏輯電路圖如圖4所示。

表3 74LS151的功能表

輸入使能端EN地址碼A2A1A0輸出YY1×××010000D0D00001D1D10010D2D20011D3D30100D4D40101D5D50110D6D60111D7D7

3 Proteus軟件仿真

根據(jù)以上三種不同方法設(shè)計(jì)的舉重裁決器電路，可直接利用proteus軟件畫出其邏輯電路圖，然后再對(duì)電路的邏輯功能進(jìn)行仿真，這樣就減少了電路制作中元器件布局、導(dǎo)線連接、焊接等實(shí)際操作，簡化了硬件電路的調(diào)試工作，提高了電路設(shè)計(jì)及邏輯功能驗(yàn)證的效率和準(zhǔn)確性，為電路功能的開發(fā)和創(chuàng)新提供了新的思路和平臺(tái)。

3.1 繪制原理圖

(1)打開proteus軟件，在ISIS界面新建文件。

(2)查找所需元器件，并添加至元件列表中。

具體操作是，首先打開元件庫搜索器，在左側(cè)“索引”欄輸入元器件的名稱，例如方案中所需要的二輸入與非門可直接輸入“74LS00”，開關(guān)可輸入“switch”等。在輸入元件名稱的同時(shí)，右側(cè)的“搜索結(jié)果”界面實(shí)時(shí)顯示包含該名稱的元件，在“搜索結(jié)果”的列表中雙擊所需的元件名稱，即可將該元件添加至元件列表中。

(3)放置元件

在最左邊的模式選擇欄中，選擇“元件模式”，再在預(yù)覽圖下方的列表即元件列表中單擊所需放置的元件，接著在原理圖繪圖區(qū)點(diǎn)擊一次鼠標(biāo)左鍵，然后在原理圖繪圖區(qū)選擇該元件合適的放置位置，點(diǎn)擊左鍵確認(rèn)。

(4)導(dǎo)線連接

具體步驟：將鼠標(biāo)移動(dòng)至導(dǎo)線起點(diǎn)的元器件引腳處，鼠標(biāo)指針會(huì)出現(xiàn)“×”提示符號(hào)，點(diǎn)擊左鍵確認(rèn)就可以劃線了，需要導(dǎo)線拐彎時(shí)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即可改變導(dǎo)線的方向，在導(dǎo)線結(jié)束時(shí)再點(diǎn)擊左鍵就完成了一段導(dǎo)線的連接。

(5)放置電源和接地符號(hào)

電路中所有導(dǎo)線連接完成后，添加電源和接地符號(hào)，就完成了原理圖的繪制[4]。電源和接地符號(hào)的放置步驟和元件放置步驟相同，區(qū)別在于電源和接地符號(hào)不在元件列表中。在最左邊的模式選擇欄中，選擇“終端模式”，預(yù)覽圖下方的列表為終端列表，其中“POWER”為電源，“GROUND”為接地。

3.2 仿真結(jié)果

在Proteus軟件的ISIS界面中繪制的電路原理圖中，點(diǎn)擊左下角的仿真按鈕，電路沒有任何響應(yīng)，當(dāng)按下主裁判開關(guān)A和其中任何一個(gè)或兩個(gè)副裁判開關(guān)B、C時(shí)，輸出端Y接的LED燈亮，表示舉重運(yùn)動(dòng)員成功。圖5、圖6、圖7分別是三種設(shè)計(jì)方案的仿真結(jié)果，從圖中可以看出三種不同方法設(shè)計(jì)的電路都實(shí)現(xiàn)了電路功能，當(dāng)2名或2名以上裁判同意，其中1名必需為主裁判時(shí)，舉重運(yùn)動(dòng)員成功。

4 總結(jié)

本文通過舉重裁決器的多方案設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了組合邏輯電路的不同設(shè)計(jì)方法和技巧，又利用Proteus軟件對(duì)電路的邏輯功能進(jìn)行仿真，從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了由門電路、譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器三種設(shè)計(jì)方案的正確性，同時(shí)證明了在組合邏輯電路設(shè)計(jì)步驟中，邏輯函數(shù)表達(dá)式和邏輯圖并不是唯一的，但真值表和邏輯功能卻是相同的。因此，組合邏輯電路設(shè)計(jì)的方法非常靈活，究竟選擇哪種方法來設(shè)計(jì)組合邏輯電路，還要根據(jù)實(shí)際情況來定。如果電路系統(tǒng)比較簡單，可以采用門電路設(shè)計(jì)，這樣電路成本低，設(shè)計(jì)又比較靈活。對(duì)于比較復(fù)雜的電路系統(tǒng)，可采用譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)，可以減少元器件的數(shù)量，降低成本和功耗，提高速度和抗干擾力，缺點(diǎn)就是靈活性比門電路要差些。

[1] 周潤景.基于Proteus的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006:1.

[2] 王瑾.基于Proteus的數(shù)字電壓表仿真設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013,21(1)：122-124.

[3] 卜錫濱.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2011:56-99.

[4] 潘益玲.基于Proteus的籃球競賽30秒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)與仿真[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,7(4)：27-31.

Design and Simulation of Voter Circuitin Weightlifting Match Based on Proteus

JIAXiu-ling1，YAOCong1，ZHANGBao-hua2

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege,Chuzhou239000,China；2.ChangjiCollege,Changji831100,China)

Combinatorial logic circuit design is a key content of digital circuit course teaching. In the project course teaching reform, the design of weight controller is used as the project carrier. We use different circuit design methods to realize the circuit function. At the same time, we use Proteus software to simulate the function of design circuits, and then compare the advantages and defects of these designs to sum up the design ideas and methods of combination of logic circuit. These ideas and methods can facilitate students to learn and master the main points of combinational logic circuit.

Proteus software; weightlifting match; circuit design and simulation

2017-01-17

安徽省質(zhì)量工程(2015jyxm519，2015jxtd069，2016gkk019)；安徽省教育廳項(xiàng)目(KJ2012Z299)；國家數(shù)字化資源中心實(shí)驗(yàn)資源征集項(xiàng)目(syzy2015005)；滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)質(zhì)量工程(zlgc2015034,zlgc2016010)；昌吉學(xué)院院級(jí)課題(14jyyb006)

賈秀玲(1979-)，女，博士，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系講師，研究方向：電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

TP368

A

1674-3229(2017)02-0025-06