《数字电路应用》的设计与仿真探究

基于 Proteus 软件对《数字电路应用》进行设计和仿真。采用555定时器产生时钟信号，用时钟信号驱动计数器4024，用七段码译码器4511将计数器送来的BCD 码进行译码，驱动共阴极数码管进行显示。

【关键词】数字电路应用 555定时器 计数器 七段码译码器 LED 数码管

在《数字电路应用》教学中，构建学生的电路设计理念，提高学生的电路设计能力，是教学的根本目的和核心内容。《数字电路应用》的设计和仿真，涉及模拟电子技术、数字电子技术等多方面知识，能够体现实验者的理论功底和设计水平，而Proteus 等电子设计自动化软件的出现，大大地提高了电路设计的效率。文中采用了振荡电路、计数电路、译码显示电路、光敏电路，阐述了Proteus电路设计与仿真在职业教育课程教学的应用。

1 系统设计

1.1 系统功能

《数字电路应用》设计由振荡电路、计数器电路、译码显示电路、光敏电路组成。振荡信号由555定时器产生，提供一定频率的方波信号；计数器是对振荡电路送来的信号进行计数；译码显示电路的作用是显示计数器的值；光敏电路是通过检测是否有光，从而对其它电路进行电源的切换。其总体结构图，如图1所示。

1.2 芯片功能介绍

（1）555定时器 555定时器是8引脚集成器件，其工作原理为：输出电压只有高电平及低电平两种状态。在555定时器的复位端R端为低电平的条件下 ，无论阀值输入端TH和触发输入端TR取何值，输出端Q输出低电平。 当复位端R为高电平时，如果阀值电压TH>2Vcc/3，且触发电压TR>Vcc/3，输出端Q输出低电平；如果阀值电压 TH<2Vcc/3，且触发电压TR>Vcc/3，输出端Q保持原状态不变；只要触发电压TR

（2）二进制计数器CD4024 CD4024是14引脚集成器件，其功能为：具有清零、计数功能，当清零端MR为高电平时，对计数器进行清零；当清零端MR为低电平时 ，在CLK脉冲的下降沿到来时，完成计数功能。

（3）7段译码器 CD4511 CD4511是16引脚集成器件，其功能为：BI是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”，它主要用来检测数码管是否损坏。LE脚是锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。DCBA为8421BCD码输入端。a～g为译码输出端。

2 电路设计与仿真

2.1 振荡电路设计

本系统的振荡器采用由 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器来实现，如图2中的标识所示。当按钮SW4抬起状态时，Q端输出信号经电阻R2和电容C2构成的RC选频后，反馈至输入端，形成振荡，振荡周期与RC大小成正比；当按钮SW4按下状态时，输入端口与输出端口断开，电路处于触发状态，通过按钮SW3给输入端触发信号时，输出端就有响应。LED发光二极管可以看出相应的输出状态。

2.2 计数电路及译码显示电路设计

计数电路如图2中的标识所示，计数器的CLK与振荡器的输出端Q相连，用来计算振荡脉冲脉冲的个数。2脚MR是复位脚，当开关SW1 正常状态弹起时，MR管脚为低电平，处于计数状态，Q1～Q4从0000～1111加1变化，输出信号波形如图3所示。当按下按钮时，MR管脚为高电平，处于复位状态，Q1～Q4全部清零。

译码电路如图2中的标识所示，译码器的输入端A～D与计数器的输出端Q1～Q4相连，用来显示计数器的数值。此类译码器型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CD4511（共阴）等，本设计采用CD4511，驱动共阴极LED数码管。译码器输入输出关系如图4所示。

2.3 光敏电路设计

光敏电路如图2中的标识所示，光敏电路由光耦U4和继电器U5构成。

当开关SW2按下时，光耦中的发光LED点亮，模拟有光照的情况，光耦中的非门工作，6脚输出低电平，三极管Q1截止，继电器U5中的线圈无电流通过，电源经X端进入Y端，而Y端与其它电路的电源端相连，这样，振荡电路、计数器电路、译码显示电路开始工作。

当开关SW2抬起时，光耦中的发光LED不亮，模拟无光照的情况，光耦中的非门不工作，6脚输出高电平，三极管Q1导通，继电器U5中的线圈得电，电源经X端进入Z端，而与Y端断开，这样，振荡电路、计数器电路、译码显示电路停止工作，从而达到控制效果。

3 电路仿真

在完成总体电路设计的基础上 ，用Proteus电子电路仿真软件完成电路的仿真与调试。首先对电路的各功能模块进行仿真设计，并对其实现的功能进行调试与仿真，所有的子系统 都能够正常运行时，把所有功能模块整合在一起 ，进行综合仿真和调试，最终完成整体电路的仿真设计。

整体电路的调试过程如下：

首先按下SW2，模拟有光照的情况，此时振荡电路、计数器电路、译码显示电路开始工作。按下SW4，振荡器处于触发状态，点按SW3一下，计数器“加1”一次，译码显示器显示“点按SW3”的次数；抬起SW4，振荡器处于振荡状态，计数器不断计算振荡脉冲的个数，译码显示器自动译码并显示计数器的值。

其次抬起SW2，模拟无光照的情况，振荡电路、计数器电路、译码显示电路停止工作，数码管无任何显示。从电路电路的仿真结果可知，设计符合要求。

4 结论

通过以上《数字电路应用》的仿真实例可以看出，用Proteus电子电路仿真软件可以快速完成各种电路的设计与仿真，且不受元器件种类、数量和测试仪表仪器的限制，省去了用实际元器件安装调试电路的过程，极大提高了电路设计效率和设计质量，所以将它作为实践教学上的一种辅助手段，可以对提高学生的综合分析能力和创新能力起到非常重要的作用。

参考文献

[1]吕思忠.数字电路实验与课程设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.

[2]谢自美.电子线路设计-实验-测试[M].武汉：华中电子科技出版社，2006.

[3]崔瑞雪.电子技术动手实践[M].北京：航空航天大学出版社，2007.

[4]刘勇.数字电路[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5]张克农.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.

作者简介

陈羽（1979-），男，江苏省南京市人。现为南京信息职业技术学院讲师。研究方向为电子技术。

作者单位

南京信息职业技术学院 江苏省南京市 210023