探析PROTEUS的九九乘法表模擬實驗設計論文

　　摘要：根據九九乘法表的要求，確定了實驗框圖，將系統分為脈衝單元模組、被乘數和乘數產生模組、資料選擇模組、資料比較模組、音響提示模組、二進位制乘法模組、碼制變換模組以及譯碼顯示模組等，並確定了每一功能模組的實現電路。最後採用了PROTEUS軟體對所設計的電路進行了模擬，驗證了關鍵設計結果。

　　關鍵詞：PROTEUS軟體；乘法表；模擬實驗

　　數位電子技術是電氣資訊類專業的專業技術基礎課，實踐性很強，主要包括組合電路和時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、資料選擇器和數值比較器等，常用的時序電路有計數器、定時器和脈衝電路等。在理論課程結束後，進行一次綜合性的電路設計訓練能夠較好地培養學生運用所學理論知識的能力[1]。九九乘法表實驗是一項綜合設計性實驗，目前能查到的文獻均是用FPGA、CPLD或微控制器的方法來實現的[2-4]，本文以數位電路為基礎，以PROTEUS軟體為基本工具，完成了九九乘法表的設計與模擬。

　　1實驗要求

　　九九乘法表實驗是一個綜合性實驗，目的是培養學生綜合運用所學數位電子技術理論知識的能力，因此，實驗內容的設定應儘可能涉及數位電子技術所有重要的知識點，基於此，本實驗要求實現的功能為：（1）被乘數和乘數可由4個撥碼開關設定，手動進行乘法運算並顯示；（2）可按常規的九九乘法表方式，依照一定速率自動進行乘法運算並顯示；（3）被乘數、乘數和乘積在七段數字顯示器上顯示；（4）當設定的被乘數和乘數超過9時進行聲響提示。

　　2實驗方案

　　根據設計要求，結合學生已掌握的數字邏輯知識，建立了如圖1所示的設計方案。脈衝單元電路產生1Hz的脈衝訊號供被乘數和乘數產生電路使用；被乘數和乘數產生電路自動有序地產生被乘數和乘數；資料選擇電路用來選擇是手動運算還是自動運算；數值比較電路檢測被乘數和乘數是否大於9，若大於9，驅動音響提示電路發出聲音提示；二進位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位制數轉換為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實驗電路

　　3.1脈衝單元電路

　　脈衝單元電路用來產生1Hz的脈衝訊號。在數位電子技術中，講解了兩種產生脈衝的方法，一種是用555定時器來產生，另一種是由整合門構成脈衝單元電路。實驗時可由學生任選一種方法來完成。

　　3.2被乘數和乘數產生電路

　　九九乘法表的特性是被乘數和乘數都從1開始，然後乘數從1到9開始變化，當乘數由9跳回1時，被乘數加1，當被乘數和乘數都為9時，被乘數和乘數都跳回1。在具體實現時，計數器可讓學生採用觸發器按時序電路設計的方法來設計完成，也可用整合計數晶片（如74160、74161、74163等）來實現。

　　3.3被乘數和乘數選擇電路

　　被乘數和乘數選擇電路用來選擇是手動運算還是自動運算，可用2個4位資料選擇器74157來完成。

　　3.4二進位制乘法電路

　　實現二進位制乘法電路有多種方案，根據學生已掌握的數字邏輯知識，有兩種方案可以選擇。一種方案是採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，最後進行加法運算，這種方案可用於閘電路和加法器（如74LS283）構成；另一種方案是採用時序邏輯設計方法，電路將部分已得到的乘積結果右移，然後與乘積項相加並儲存和值，反覆迭代上述步驟直到計算出最終乘積，這種方案可用於移位暫存器（如74LS194）和加法器構成。

　　3.5數值比較及音響提示電路

　　實驗要求當設定的被乘數和乘數超過9時進行聲響提示，因此需一個數值比較電路。數值比較電路可用基本閘電路按組合電路設計的方法來設計，也可採用中規模整合器件（7485）實現。模擬時注意，PROTEUS軟體中調入的報警器BUZZER預設工作電壓是12V，若讓7485晶片的輸出直接驅動，需設定其工作電壓，本模擬電路設為0.5V。

　　3.6譯碼顯示電路

　　PROTEUS軟體中有內含譯碼功能的4輸入端顯示數碼管，為讓學生熟悉譯碼及顯示過程，也可採用7輸入端的數碼管進行顯示，這時就需要譯碼電路。譯碼器可讓學生採用閘電路設計完成，也可用整合譯碼晶片（如7447、7448等）來實現。

　　3.7碼制變換電路

　　碼制變換電路用來將8位二進位制數轉換為BCD碼，這個功能採用CPLD或微控制器程式設計是很容易實現的，但考慮到學生所掌握的'數字邏輯知識，要求採用硬體電路來完成。74185是一個5位二進位制—BCD程式碼轉換器件，本文要求的碼制變換電路可用兩片74185來構成，但因PROTEUS軟體中沒有74185的模擬模型，可利用所學知識自行設計一個碼制變換電路，轉換原理是：對給出的二進位制數，算出其對應的十進位制位數，設計一個對應位數的BCD加計數器，以給定的二進位制數為初值，做減1計數，同時BCD加法計數器做加1計數。當二進位制計數器減到0時，停止計數，此時BCD計數器中的值就是轉換後的十進位制數。

　　4結語

　　本實驗課題是2015年筆者所申請的一個開放實驗專案，學生完成後普遍認為受益匪淺。在具體實施時，在實驗任務中只給出設計題目及要求，教師簡單講解組合電路和時序電路設計的基本流程、二進位制乘法器原理、碼制轉換原理以及數碼管顯示原理等相關知識，由學生自主查閱資料，確定設計方案，設計電路並進行PROTEUS模擬，最後提交一份完整的實驗報告。實踐證明，透過PROTEUS軟體實現虛擬模擬實驗具有較強的直觀性，此綜合實驗可鞏固和加深學生對數位電子技術理論知識的理解，掌握數位電路綜合設計的方法，培養獨立分析問題和解決問題的能力及創新實踐的能力。

　　參考文獻

　　[1]周圍,于波,韓建.基於Multisim的硬幣存錢箱模擬實驗設計[J].實驗科學與技術,2015,13(5):3-5.

　　[2]傅曉程,阮秉濤,樊偉敏.基於FPGA的九九乘法表實驗[J].實驗科學與技術,2014,12(3):68-69.

　　[3]邵鴻翔.九九乘法表系統的設計[EB/OL](2012-06-29)[2017-12-01].

　　[4]道客巴巴.微控制器應用——九九乘法表判斷器[EB/OL](2013-03-16)[2017-11-01].