[摘要]Proteus软件可以在普通计算机上采用虚拟现实技术构建各种虚拟试验环境，实验者可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验项目。本文以自行车测速仪数字电路的设计为例讨论了Proteus仿真软件在数字电路教学中的优势。
[关键词]Proteus 虚拟现实技术 自行车测速仪 数字电路教学
1.引言
在数字电子技术的理论教学中应用Proteus仿真软件快速分析数字电路的性能参数，与理论结果进行对比，让抽象的理论及时得到检验，给学生更为直观的认识，可以大大提高教学效果。同时，仿真还可以直观显示数字电路工作时的实际效果，帮助学生理解和分析复杂的数字电路。虚拟试验与传统教学方式相比有着成本低、功能全、效率高的优点，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。
2.测速仪硬件设计
2.1 设计原理图
电路由基准脉冲电路、霍尔测速电路、计数电路、寄存器电路、译码器电路和显示器电路构成，用Proteus软件画出的测速仪硬件电路原理图如图1所示。
2.2 设计原理分析
2.2.1 基准脉冲电路
基准脉冲电路由NE555芯片、电阻R1和R2、电容C1和C2组成的多谐振荡器构成。通过选择电容C2的容值和电阻R1、R2的阻值使得输出矩形波的规律为：高电平的维持时间为1秒钟，低电平的维持时间为0.5秒钟。通过输出矩形波的高低电平决定寄存电路是否运转，并计算1秒中内车轮所转过的圈数。
2.2.2 霍尔电路
霍尔电路利用霍尔原件在磁场中的霍尔效应产生矩形波，并且该电路的输出端与74LS160的clk端口相连。
2.2.3 计数电路
计数电路由74LS160芯片组成。霍尔电路输出的矩形波作为计数器的计数量。将两片74LS160的置数端都接地。74LS160(1)芯片为低位计数芯片，只有当低位计数器计数超过9时，74LS160进位输出端口(RCO)输出高电平时，74LS160(2)才开始计数。由计数器的相关原理可知计数器74hS160(1)跳动十次，计数器74LS160(2)才跳动一次。这样该电路就成为一个一百进制的计数电路。
2.2.4 寄存器电路
寄存电路由74LS175芯片组成，当芯片在接收到74LS160的计数结果后，并且在基准脉冲电路通过与非门的转换输出低电平时，寄存器才开始工作。寄存器的输出能够随输入端的改变而改变，即输出为所转换成的相应转速信号。当基准脉冲电路输出为低电平时，在与非门的作用下将其转变为高电平，寄存器起记忆的功能，保存输出的信号。只有当下一个低电平输入到clk端口时，寄存器的输出信号才改变，在低电平到来之前输出始终为前一个阶段所保存的输出信号。
2.2.5 译码电路
译码电路由74LS48组成。该芯片将寄存器输出的信号转换成二进制编码的信号，高位与低位分别处理。
2.2.6 显示器电路
显示器电路由74SE-COM-CATHODE芯片组成，该电路将译码电路输出的二进制段选信号在排阻的限流作用下驱动相应的发光二极管发光显示所对应的十进制数码。显示出来的十进制数据源为在前一秒内车轮的转速，并且在寄存电路的作用下能够保持0.5秒，这样能够使骑车人看清楚所显示的转速。
3.测速仪仿真实验
3.1 仿真参数
仿真参数设置如表1所示。
3.2 仿真步骤及实验结果
3.2.1绘制车速电路原理图
打开Proteus软件，添加元件，编辑元件属性，连接好各个引脚，最后如图1所示。
3.2.2 仿真实验结果
3.2.2.1 由555定时器组成的多谐振荡器模块仿真
电路设计为输出高电平为1秒，低电平为0.5秒，但考虑到选取元件的标称值，有少许允许误差，用示波器仿真结果如图2所示。
3.2.2.2 计数器模块仿真
试给周期为100 ms的脉冲信号，在计数器的复位端为高电平时，开始计数。计数器输出的Q0、Q1、Q2、Q3信号分别为逻辑分析仪的A0、A1、A2、A3信号，其波形如图3所示。
3.2.2.3 显示模块仿真
试给周期为100ms的脉冲信号，在高电平为1秒内计数器应该是10个，考虑到试给信号和多谐振荡器的信号起始时间处不一定都是高电平，有一定的误差。如图3在一个高电平内的最终计数值为1001，应该显示数字9，通过按仿真按钮，图1仿真模型的数码管中显示出了稳定的数字9，其仿真结果和预期相同。改变试给信号的频率，在高电平内的对应数字也正确显示在了数码管中。
4.硬件实物调试
4.1 通电观察
通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即断电。待排除故障后再通电。
4.2 静态调试
4.2.1 电源电路的调试
检查电源供电极性和信号源连线是否正确。在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地(上)是否存在短路现象。
4 2.2 基准脉冲电路的调试
在不加输入信号或只加固定电平信号的条件下进行直流测试，用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常。然后用示波器测试NE555定时器的输出端，看其是否产生周期性高低电平的矩形波，且此矩形波的规律为高电平的，维持时间为1秒钟，低电平的维持时间为0.5秒钟。
4.2.3 霍尔测速电路的调试
将霍尔元件安装在被测自行车上，通过示波器测试其输出波形是否能够与后续电路相匹配，主要对其高低电平的幅值及响应频率进行调试。
4.2.4 计数电路的调试
霍尔电路输出的矩形波作为计数器的计数量，用示波器逐个测试计数器的输出端，通过对其波形的分析，确定其是否正常工作并实现计数的功能。
4.2.5 寄存电路的调试
当基准脉冲电路输出为低电平时，在与非门的作用下将其转变为高电平，寄存器起记忆的功能，保存输出的信号。只有当下一个低电平输入到clk端口时，寄存器的输出信号才改变，在低电平到来之前输出始终为前一个阶段所保存的输出信号。测试方法与计数器的测试基本相同。
4.3 动态调试
在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加合适的信号，观察数码管的显示是否达到实验预期效果，若发现显示不正常，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求为止。把示波器的信号输入方式置于“DC”档，通过直流耦合方式，同时观察被测信号的交、直流成分。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标(如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗和输出阻抗等)是否满足设计要求，如必要，再进一步对电路参数提出合理的修正。
5.小结
通过仿真实验和硬件实物调试实验的对比，我们发现，基于Proteus的虚拟实验完全可以达到真实试验的效果，而且操作方便、快捷，可以使学生在轻松的实验过程中加深对数字电路理论知识的理解，大大提高了学生学习的积极性。由此我们得出结论，该教学方法非常适合在数字电子技术教学中大力推广和应用。
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