探析PROTEUS的九九乘法表仿真實(shí)驗設計論文
摘要：根據九九乘法表的要求，確定了實(shí)驗框圖，將系統分為脈沖單元模塊、被乘數和乘數產(chǎn)生模塊、數據選擇模塊、數據比較模塊、音響提示模塊、二進(jìn)制乘法模塊、碼制變換模塊以及譯碼顯示模塊等，并確定了每一功能模塊的實(shí)現電路。最后采用了PROTEUS軟件對所設計的電路進(jìn)行了仿真，驗證了關(guān)鍵設計結果。
關(guān)鍵詞：PROTEUS軟件；乘法表；仿真實(shí)驗
數字電子技術(shù)是電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎課，實(shí)踐性很強，主要包括組合電路和時(shí)序電路兩大部分內容，常用的組合電路有加法器、編碼器、譯碼器、數據選擇器和數值比較器等，常用的時(shí)序電路有計數器、定時(shí)器和脈沖電路等。在理論課程結束后，進(jìn)行一次綜合性的電路設計訓練能夠較好地培養學(xué)生運用所學(xué)理論知識的能力[1]。九九乘法表實(shí)驗是一項綜合設計性實(shí)驗，目前能查到的文獻均是用FPGA、CPLD或單片機的方法來(lái)實(shí)現的[2-4]，本文以數字電路為基礎，以PROTEUS軟件為基本工具，完成了九九乘法表的設計與仿真。
1實(shí)驗要求
九九乘法表實(shí)驗是一個(gè)綜合性實(shí)驗，目的是培養學(xué)生綜合運用所學(xué)數字電子技術(shù)理論知識的能力，因此，實(shí)驗內容的設置應盡可能涉及數字電子技術(shù)所有重要的知識點(diǎn)，基于此，本實(shí)驗要求實(shí)現的功能為：（1）被乘數和乘數可由4個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)設置，手動(dòng)進(jìn)行乘法運算并顯示；（2）可按常規的九九乘法表方式，依照一定速率自動(dòng)進(jìn)行乘法運算并顯示；（3）被乘數、乘數和乘積在七段數字顯示器上顯示；（4）當設置的被乘數和乘數超過(guò)9時(shí)進(jìn)行聲響提示。
2實(shí)驗方案
根據設計要求，結合學(xué)生已掌握的數字邏輯知識，建立了如圖1所示的設計方案。脈沖單元電路產(chǎn)生1Hz的脈沖信號供被乘數和乘數產(chǎn)生電路使用；被乘數和乘數產(chǎn)生電路自動(dòng)有序地產(chǎn)生被乘數和乘數；數據選擇電路用來(lái)選擇是手動(dòng)運算還是自動(dòng)運算；數值比較電路檢測被乘數和乘數是否大于9，若大于9，驅動(dòng)音響提示電路發(fā)出聲音提示；二進(jìn)制乘法電路完成被乘數和乘數的乘法運算；碼制變換電路將乘法電路輸出的二進(jìn)制數轉換為8421BCD碼；譯碼顯示電路將被乘數、乘數和乘積在七段數碼管上顯示。
3實(shí)驗電路
3.1脈沖單元電路
脈沖單元電路用來(lái)產(chǎn)生1Hz的脈沖信號。在數字電子技術(shù)中，講解了兩種產(chǎn)生脈沖的方法，一種是用555定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生，另一種是由集成門(mén)構成脈沖單元電路。實(shí)驗時(shí)可由學(xué)生任選一種方法來(lái)完成。
3.2被乘數和乘數產(chǎn)生電路
九九乘法表的特性是被乘數和乘數都從1開(kāi)始，然后乘數從1到9開(kāi)始變化，當乘數由9跳回1時(shí)，被乘數加1，當被乘數和乘數都為9時(shí)，被乘數和乘數都跳回1。在具體實(shí)現時(shí)，計數器可讓學(xué)生采用觸發(fā)器按時(shí)序電路設計的方法來(lái)設計完成，也可用集成計數芯片（如74160、74161、74163等）來(lái)實(shí)現。
3.3被乘數和乘數選擇電路
被乘數和乘數選擇電路用來(lái)選擇是手動(dòng)運算還是自動(dòng)運算，可用2個(gè)4位數據選擇器74157來(lái)完成。
3.4二進(jìn)制乘法電路
實(shí)現二進(jìn)制乘法電路有多種方案，根據學(xué)生已掌握的數字邏輯知識，有兩種方案可以選擇。一種方案是采用組合邏輯設計方法，電路事先將所有的乘積項全部計算出來(lái)，最后進(jìn)行加法運算，這種方案可用于門(mén)電路和加法器（如74LS283）構成；另一種方案是采用時(shí)序邏輯設計方法，電路將部分已得到的乘積結果右移，然后與乘積項相加并保存和值，反復迭代上述步驟直到計算出最終乘積，這種方案可用于移位寄存器（如74LS194）和加法器構成。
3.5數值比較及音響提示電路
實(shí)驗要求當設置的被乘數和乘數超過(guò)9時(shí)進(jìn)行聲響提示，因此需一個(gè)數值比較電路。數值比較電路可用基本門(mén)電路按組合電路設計的方法來(lái)設計，也可采用中規模集成器件（7485）實(shí)現。仿真時(shí)注意，PROTEUS軟件中調入的報警器BUZZER默認工作電壓是12V，若讓7485芯片的輸出直接驅動(dòng)，需設置其工作電壓，本仿真電路設為0.5V。
3.6譯碼顯示電路
PROTEUS軟件中有內含譯碼功能的4輸入端顯示數碼管，為讓學(xué)生熟悉譯碼及顯示過(guò)程，也可采用7輸入端的數碼管進(jìn)行顯示，這時(shí)就需要譯碼電路。譯碼器可讓學(xué)生采用門(mén)電路設計完成，也可用集成譯碼芯片（如7447、7448等）來(lái)實(shí)現。
3.7碼制變換電路
碼制變換電路用來(lái)將8位二進(jìn)制數轉換為BCD碼，這個(gè)功能采用CPLD或單片機編程是很容易實(shí)現的，但考慮到學(xué)生所掌握的'數字邏輯知識，要求采用硬件電路來(lái)完成。74185是一個(gè)5位二進(jìn)制—BCD代碼轉換器件，本文要求的碼制變換電路可用兩片74185來(lái)構成，但因PROTEUS軟件中沒(méi)有74185的仿真模型，可利用所學(xué)知識自行設計一個(gè)碼制變換電路，轉換原理是：對給出的二進(jìn)制數，算出其對應的十進(jìn)制位數，設計一個(gè)對應位數的BCD加計數器，以給定的二進(jìn)制數為初值，做減1計數，同時(shí)BCD加法計數器做加1計數。當二進(jìn)制計數器減到0時(shí)，停止計數，此時(shí)BCD計數器中的值就是轉換后的十進(jìn)制數。
4結語(yǔ)
本實(shí)驗課題是2015年筆者所申請的一個(gè)開(kāi)放實(shí)驗項目，學(xué)生完成后普遍認為受益匪淺。在具體實(shí)施時(shí)，在實(shí)驗任務(wù)中只給出設計題目及要求，教師簡(jiǎn)單講解組合電路和時(shí)序電路設計的基本流程、二進(jìn)制乘法器原理、碼制轉換原理以及數碼管顯示原理等相關(guān)知識，由學(xué)生自主查閱資料，確定設計方案，設計電路并進(jìn)行PROTEUS仿真，最后提交一份完整的實(shí)驗報告。實(shí)踐證明，通過(guò)PROTEUS軟件實(shí)現虛擬仿真實(shí)驗具有較強的直觀(guān)性，此綜合實(shí)驗可鞏固和加深學(xué)生對數字電子技術(shù)理論知識的理解，掌握數字電路綜合設計的方法，培養獨立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力及創(chuàng )新實(shí)踐的能力。
參考文獻
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