王華本 朱良月 鹿建銀
摘 要
隨著集成電路的發(fā)展,計算機各個專業(yè)所涉及的硬件類的課程也越來越重要,但學生整體掌握的情況不是很好,為了提高教學質(zhì)量,本文在《數(shù)字邏輯電路》課程中加入Proteus仿真教學,把課堂教學過程中的難以理解的知識點理論教學后,再用Proteus進行仿真,讓學生真正理解所學內(nèi)容。拓寬學生學習的知識邊界,提高學生理論融合實踐的技能,掌握電路的設計方法,有助于培養(yǎng)養(yǎng)學生綜合分析能力以及創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。
關鍵詞
集成電路;Proteus;仿真教學
中圖分類號: TN791-4;G642 ? ? ? ? ?文獻標識碼: A
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.19
0 綜述
Proteus是一個巨大的教學資源,Proteus可提供的仿真元器件資源:仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件,有30多個元件庫。《數(shù)字邏輯電路》課程中所遇到的元器件在Proteus很容易找到?!稊?shù)字邏輯電路》課程中主要就是兩大電路:組合邏輯電路、時序邏輯電路。組合邏輯電路的基本單元電路是與門電路、或門電路、非門電路,對應Proteus如圖1所示:從圖中很清楚地看到與門電路74LS08管腳的分布,上面集成有4個與門,共有14個管腳,其中7腳接地(GND),14腳接電源(VCC)。
組成時序邏輯電路的單元電路主要是觸發(fā)器,最常見的是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器,如圖2所示:
《數(shù)字邏輯電路》課程中的兩大電路:組合邏輯電路、時序邏輯電路,講授課程時,必須先把基本單元電路原理講清楚,并借助Proteus仿真平臺,讓學生加以理解和消化,這樣就很容易化難為易。
1 門電路
《數(shù)字邏輯電路》中基本的門電路:與、或、非最基本的三種門電路,也是構(gòu)成組合邏輯電路的單元電路,講解過程中穿插Proteus仿真進行輔助理解和學習。譬如講到最簡單的與門,可以使用芯片74ls08,同樣可以輸入關鍵字and,就可以找到對應的與門符號,為了驗證與門功能,還需要添加輸入控制端LogicState,輸出端LogicProbe,仿真電路如圖3所示。
這樣從圖3中就能很輕松地總結(jié)出與門電路的功能:有零出零,全1出1。同學們學習、理解就非常輕松。并可以類推出其他門電路的功能。
2 組合邏輯電路
組合邏輯電路的輸出是由輸入決定的,電路沒有記憶功能,電路結(jié)構(gòu)相對來說是比較簡單的,但在具體講解譯碼器功能時,發(fā)現(xiàn)學生的理解仍然存在障礙,特別對于低電平有效,學生無法把函數(shù)表達式與功能一一對應。引入Proteus仿真后,把譯碼器74ls138分三個模塊進行知識的講解:輸入端、使能控制端、輸出端。首先讓同學們理解使能控制端的作用,何時禁止譯碼;何時芯片開始工作但是還沒有接到譯碼信號;何時開始真正譯碼工作。如圖4所示:譯碼器74ls138功能的仿真圖可知,輸入端A、B、C;使能控制端E1、E2、E3、輸出端Y0~Y7。從芯片仿真圖可知,使能控制端E1、E2、E3所加信號為1、0、0時,芯片開啟工作模式,輸出端Y0~Y7全部是低電平有效。這樣講解以后發(fā)現(xiàn)90%以上的學生能很快理解原理,并能用74ls138和門電路進行電路的設計一個電路,實現(xiàn)全加器的功能,如圖5所示。
3 觸發(fā)器
觸發(fā)器是同步雙穩(wěn)態(tài)器件,也稱為雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的單元電路,主要的是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器兩種,仿真元件的代表是74ls74、74ls112。D觸發(fā)器的輸出在CP脈沖的作用下和輸入時一樣的,這里的初態(tài)的設置同學們很難理解,其實就是觸發(fā)器的R端和S端,這兩個端一個清零,另外一個置1,初態(tài)設置好以后,觸發(fā)器正常工作時候,觸發(fā)器的R端和S端必須置1。
D觸發(fā)器的仿真圖中很容易得出如表1所示的D觸發(fā)器的功能真值表,清零,置1,輸入與輸出保持一致。
通過Proteus仿真,能將難懂的原理通過仿真電路來實現(xiàn)功能,在整個教學的過程中不用擔心元器件的損耗,也不用擔心內(nèi)部電路導線接觸不良,結(jié)果無法正常顯示。學生可以在自己的電腦上安裝Proteus,課下可以多次訓練,以掌握知識的要領,進一步理解原理,這樣到固定的實驗室做實驗時候,就能做到心中有數(shù),不再手忙腳亂,真正的實物實踐和仿真實踐是由差異的,但先通過仿真,同學們就能在理解原理的基礎上快速完成實踐,真正的實物實驗有好多因素導致實驗無法顯示正確的結(jié)果。譬如電路板焊點脫落,芯片損壞,實驗平臺上面固定的元器件損壞等等這些因素都會導致實驗結(jié)果無法正常顯示。學生在這種情形下就會喪失學習的信心。而此時的Proteus就恰到好處地彌補了這個缺失。JK觸發(fā)器74ls112的仿真圖如圖7所示。
從仿真電路圖中可以看出JK觸發(fā)器只有4種情況:00、01、10、11,但這里面有一個初始狀態(tài)的設定,每一種情況初始狀態(tài)可以為0,也可以為1,還有開始時的清零和置1,總而言之,共有10種情況,如果不借助Proteus仿真,學生可能要云里霧里,上課的過程中,借助Proteus仿真就可以很輕松把這10種情況講解清楚,這樣水到渠成地從JK觸發(fā)器的仿真圖中得出如表2所示的JK觸發(fā)器的功能真值表,并總結(jié)出JK觸發(fā)器的規(guī)律:00保持,相異從J,11翻轉(zhuǎn)。對于JK觸發(fā)器的功能學生只要記住這3句話,12字就可以,以后在設計時序邏輯電路的時候用到驅(qū)動表也是從此得出的。
4 時序邏輯電路
時序邏輯電路相對來說比較復雜,移位寄存器仿真電路圖如8所示:電路構(gòu)成單元是4個D觸發(fā)器,通過仿真實驗很容易得出移位寄存器狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表。如表3所示。
5 結(jié)語
Proteus在《數(shù)字邏輯電路》課程教學中的應用,恰到好處地補充了硬件電路在實物實踐的不足,同時增添了學生學習的樂趣,拓寬同學們學習的知識邊界,培養(yǎng)學生自主學習的能力,提升了同學們綜合應用知識的進行分析和解決問題的能力。
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