電路仿真與工具軟件應(yīng)用學(xué)習(xí)第八章

8.1Proteus整體功能預(yù)覽8.1.1集成化的電路虛擬仿真軟件——ProteusProteus軟件和我們手頭的其他電路設(shè)計仿真軟件最大的不同即它的功能不是單一的。Proteus是一個基于ProSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計仿真平臺。它包含ISIS和ARES應(yīng)用軟件：ISIS——智能原理圖輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計與仿真的基本平臺。ARES——高級PCB布線編輯軟件。Proteus的電路仿真功能可以和Multisim相媲美，且獨特的單片機(jī)仿真功能是Multisim及其他任何仿真軟件都不具備的；它的PCB電路制版功能可以和Protel相媲美。從原理圖設(shè)計、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到PCB設(shè)計一氣呵成，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。Proteus從原理圖設(shè)計到PCB設(shè)計，再到電路板完成的流程下圖所示。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是1頁\一共有42頁\編輯于星期日山東師范大學(xué)現(xiàn)在是2頁\一共有42頁\編輯于星期日8.1.2Proteus特色一：微處理器系統(tǒng)仿真Proteus軟件的ISIS原理圖設(shè)計界面支持電路仿真模式VSM(虛擬仿真模式)。當(dāng)電路元件在調(diào)用時，我們選用具有動畫演示功能的器件或具有仿真模型的器件，當(dāng)電路連接完成無誤后，直接運行仿真按鈕，即可實現(xiàn)聲、光、動等逼真的效果，以檢驗電路硬件及軟件設(shè)計的對錯，非常直觀。單片機(jī)系統(tǒng)的仿真是ProteusVSM的主要特色。用戶可在Proteus中直接編輯、編譯、調(diào)試代碼，并直觀地看到仿真結(jié)果。CPU模型有ARM7(LPC21xx)、PIC、AtmelAVR、MotorolaHCXX以及8051/8052系列。同時模型庫中包含了LED/LCD顯示、鍵盤、按鈕、開關(guān)、常用電機(jī)等通用外圍設(shè)備。VSM甚至能仿真多個CPU，它能便利處理含兩個或兩個以上微控制器的系統(tǒng)設(shè)計。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是3頁\一共有42頁\編輯于星期日微處理器交互仿真實例山東師范大學(xué)現(xiàn)在是4頁\一共有42頁\編輯于星期日虛擬仿真電路與外部實際電路的雙向通信山東師范大學(xué)現(xiàn)在是5頁\一共有42頁\編輯于星期日Proteus與Keil的聯(lián)調(diào)山東師范大學(xué)現(xiàn)在是6頁\一共有42頁\編輯于星期日8.1.3Proteus特色二：ProteusARES的PCB預(yù)覽功能山東師范大學(xué)現(xiàn)在是7頁\一共有42頁\編輯于星期日8.2Proteus快速入門

8.2.1一階動態(tài)電路的設(shè)計與仿真本例所用到的元件清單如表：山東師范大學(xué)現(xiàn)在是8頁\一共有42頁\編輯于星期日（1）元件的拾取用鼠標(biāo)左鍵單擊界面左側(cè)預(yù)覽窗口下面的“P”按鈕，彈出“PickDevices”(元件拾取)對話框ISIS7Professional的元件拾取就是把元件從元件拾取對話框中拾取到圖形編輯界面的對象選擇器中。元件拾取共有兩種辦法：(1)按類別查找和拾取元件拾取元件對話框共分四部分，左側(cè)從上到下分別為直接查找時的名稱輸入、分類查找時的大類列表、子類列表和生產(chǎn)廠家列表。中間為查到的元件列表。右側(cè)自上而下分別為元件圖形和元件封裝，(2)直接查找和拾取元件把元件名的全稱或部分輸入到PickDevices(元件拾取)對話框中的“Keywords”欄，在中間的查找結(jié)果“Results”中顯示所有電容元件列表，用鼠標(biāo)拖動右邊的滾動條，出現(xiàn)灰色標(biāo)示的元件即為找到的匹配元件。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是9頁\一共有42頁\編輯于星期日山東師范大學(xué)現(xiàn)在是10頁\一共有42頁\編輯于星期日按照電容的拾取方法，依次把五個元件拾取到編輯界面的對象選擇器中，然后關(guān)閉元件拾取對話框。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是11頁\一共有42頁\編輯于星期日下面把元件從對象選擇器中放置到圖形編輯區(qū)中。用鼠標(biāo)單擊對象選擇區(qū)中的某一元件名，把鼠標(biāo)指針移動到圖形編輯區(qū)，雙擊鼠標(biāo)左鍵，元件即被放置到編輯區(qū)中。電阻要放置兩次，因為本例中用到兩個電阻。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是12頁\一共有42頁\編輯于星期日（2）編輯窗口視野控制編輯窗口的視野平移可用以下方法：a.在原理圖編輯區(qū)的藍(lán)色方框內(nèi)，把鼠標(biāo)指針放置在一個地方后，按下“F5”，則以鼠標(biāo)指針為中心顯示圖形。b.當(dāng)圖形不能全部顯示出來時，按住“Shift”鍵，移動鼠標(biāo)指針到上、下、左、右邊界，則圖形自動平移。c.快速顯示想要顯示的圖形部分時，把鼠標(biāo)指向左上預(yù)覽窗口中某處，并單擊鼠標(biāo)左鍵，則編輯窗口內(nèi)圖形自動移動到指定位置。編輯窗口的視野縮放用以下方法：a.先把鼠標(biāo)指針放置到原理圖編輯區(qū)內(nèi)的藍(lán)色框內(nèi)，上下滾動鼠標(biāo)滾輪即可縮放視野。b.放置鼠標(biāo)指針到編輯窗口內(nèi)想要放大或縮小的地方，按“F6”(放大)或“F7”(縮小)放大或縮小圖形，按“F8”顯示整個圖形。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是13頁\一共有42頁\編輯于星期日(3)元件位置的調(diào)整和參數(shù)的修改在編輯區(qū)的元件上單擊鼠標(biāo)左鍵選中元件(為紅色)，在選中的元件上再次單擊鼠標(biāo)右鍵則刪除該元件，而在元件以外的區(qū)域內(nèi)單擊右鍵則取消選擇。單個元件選中后，單擊鼠標(biāo)左鍵不松可以拖動該元件。群選使用鼠標(biāo)左鍵拖出一個選擇區(qū)域，使用圖標(biāo)來整體移動。使用圖標(biāo)可整體復(fù)制，圖標(biāo)用來刷新圖面。按下圖所示元件位置布置好元件。使用界面左下方的四個圖標(biāo)、、、可改變元件的方向及對稱性。把兩位開關(guān)調(diào)整成圖示的方位。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是14頁\一共有42頁\編輯于星期日先存一下盤。建立一個名為Proteus的目錄，選主菜單File→SaveDesignAs，在打開的對話框中把文件保存為Proteus目錄下的“Cap1.DSN”，只用輸入“Cap1”，擴(kuò)展名系統(tǒng)自動添加。下面改變元件參數(shù)：左鍵雙擊原理圖編輯區(qū)中的電阻R1，彈出“EditComponent”(元件屬性設(shè)置)對話框，把R1的Resistance(阻值)由10kΩ改為1kΩ，把R2的阻值由10kΩ改為100Ω(缺省單位為Ω)。EditComponent(元件屬性設(shè)置)對話框下圖所示。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是15頁\一共有42頁\編輯于星期日注意到每個元件的旁邊顯示灰色的“<TEXT>”，為了使電路圖清晰，可以取消此文字顯示。雙擊此文字，打開一個對話框，如下圖所示。在該對話框中選擇“Style”，先取消選擇“Visible”右邊的“FollowGlobal”選項，再取消選擇“Visible”選項，單擊“OK”即可。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是16頁\一共有42頁\編輯于星期日也可在元件調(diào)用前，直接選擇主菜單中的【Template】→【SetDesignDefaults…】打開畫圖模板設(shè)置選項，如下圖所示。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是17頁\一共有42頁\編輯于星期日接著出現(xiàn)EditDesignDefaults(編輯模板設(shè)計)對話框，如下圖所示。在“Showhiddentext”選項中把對勾去掉，然后單擊“OK”即可。每個元件的旁邊不再顯示灰色的“<TEXT>”。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是18頁\一共有42頁\編輯于星期日（4）電路連線電路連線采用按格點捕捉和自動連線的形式，所以首先確定編輯窗口上方的自動連線圖標(biāo)為按下狀態(tài)。Proteus的連線是非常智能的，它會判斷你下一步的操作是否想連線從而自動連線，而不需要選擇連線的操作，只需用鼠標(biāo)左鍵單擊編輯區(qū)元件的一個端點拖動到要連接的另外一個元件的端點，先松開左鍵后再單擊鼠標(biāo)左鍵，即完成一根連線。連線完成后如下左圖所示。連線完成后，如果再想回到拾取元件狀態(tài)，按下左側(cè)工具欄中的“元件拾取”圖標(biāo)即可，如下右圖所示。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是19頁\一共有42頁\編輯于星期日（5）電路的動態(tài)仿真前面我們已經(jīng)完成了電路原理圖的設(shè)計和連接，下面來看看電路的仿真效果。首先在主菜單“System”→“SetAnimationOptions”中設(shè)置仿真時電壓及電流的顏色及方向，如下圖所示。在打開的對話框中，選擇“ShowWireVoltagebyColour”和“ShowWireCurrentwithArrows”兩項，即選擇導(dǎo)線以紅、藍(lán)兩色來表示電壓的高低，以箭頭標(biāo)示來表示電流的流向。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是20頁\一共有42頁\編輯于星期日單擊ProteusISIS環(huán)境中左下方的仿真控制按鈕 中的運行按鈕，開始仿真。仿真開始后，用鼠標(biāo)單擊圖中的開關(guān)，使其先把電容與電源接通，如下圖所示。能清楚地看到電容充電的效果。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是21頁\一共有42頁\編輯于星期日接著單擊開關(guān)，使其把電容與燈連通?？吹綗糸W了一下，如下圖所示。由于充電時間常數(shù)為1秒，放電時間常數(shù)小一些，瞬間放電，所以燈亮的時間很短。如果放電時間常數(shù)再大，則不易觀察到燈亮的效果。在運行時，可以來回?fù)軇娱_關(guān)，反復(fù)觀察充放電過程。單擊仿真控制按鈕中的停止按鈕，仿真結(jié)束。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是22頁\一共有42頁\編輯于星期日（6）文件的保存在設(shè)計過程中要養(yǎng)成不斷存盤的好習(xí)慣，以免突發(fā)事件而造成事倍功半的效果，影響學(xué)習(xí)情緒。最好先建立一個存放“*.DSN”文件的專用文件夾，你會發(fā)現(xiàn)在這個文件夾中，除了剛剛設(shè)計完成的“Cap1.DSN”文件外，還有很多其他擴(kuò)展名的文件，可以統(tǒng)統(tǒng)刪除。下次打開時，可直接雙擊“Cap1.DSN”文件，或先運行Proteus，再打開“Cap1.DSN”文件。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是23頁\一共有42頁\編輯于星期日（7）變式演練下面來嘗試自己動手設(shè)計一個電容充放電電路，如下圖所示。與剛才的電路不同的是，這個電路選用了兩個一位開關(guān)代替原來的一個兩位開關(guān)；在充放電回路中分別串入了直流數(shù)字電流表，在電容兩端并接了一個電壓表，用于觀察充放電過程中的電流及電壓的變化；另外，放電回路中取消了放電電阻，充電電阻值和電容值也都有變化。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是24頁\一共有42頁\編輯于星期日所用元件名稱及所屬的庫文件如下表所示，可采取直接查詢法來拾取表中元件。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是25頁\一共有42頁\編輯于星期日選取虛擬儀器圖標(biāo) 來獲取直流電壓表和電流表，如下圖所示。由上而下的儀器分別為示波器(OSCILLOSCOPE)、邏輯分析儀(LOGICANALYSER)、計數(shù)定時器(COUNTERTIMER)、虛擬終端(VIRTUALTERMINAL)、信號發(fā)生器(SIGNALGENERATOR)、模式發(fā)生器(PATTERNGENERATOR)、直流電壓表(DCVOLTMETER)、直流電流表(DCAMMETER)、交流電壓表(ACVOLTMETER)和交流電流表(ACAMMETER)。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是26頁\一共有42頁\編輯于星期日兩個電流表設(shè)置為毫安表，分別取名為AM1和AM2；電壓表取名為VM1。雙擊電流表，出現(xiàn)如下圖所示的EditComponent(屬性設(shè)置)對話框，照圖完成設(shè)置。把此文件保存為“CAP2.DSN”。在仿真時，注意觀察電流表和電壓表數(shù)值的變化。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是27頁\一共有42頁\編輯于星期日8.2.2異步四位二進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計及仿真如果已經(jīng)具備了數(shù)字電子技術(shù)的知識，就會知道，這是一個異步時序邏輯電路，由四個觸發(fā)器構(gòu)成，這里選用JK觸發(fā)器，把它們的JK端全接高電平，前一級的輸出作為后一級的時鐘信號。觀察四個觸發(fā)器輸出端所組成的二進(jìn)制數(shù)的變化是否為0-F(即0000-1111)。（1）元件的拾取如果不知道所用元件的確切名字及所在的庫，可以用查詢的方法在所有庫里海選。選擇主菜單“Library”→“PickDevice/Symbol”，或直接單擊左側(cè)工具箱中的圖標(biāo)后再單擊“P”按鈕，打開如下圖所示的對話框。采用部分查找法，在所查找的元件名關(guān)鍵詞中填寫“JK”，所有“JK”觸發(fā)器元件都被找出，列在圖中的中間部分查詢結(jié)果中。選中“JKFF(ACTIVE)”，即選中仿真庫中的元件，單擊“OK”，元件拾取到對象選擇器中。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是28頁\一共有42頁\編輯于星期日山東師范大學(xué)現(xiàn)在是29頁\一共有42頁\編輯于星期日按下表所示，采用直接查詢法，把所有元件都拾取到編輯區(qū)的元件列表中。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是30頁\一共有42頁\編輯于星期日（2）元件連線先放置一個JK觸發(fā)器。選中左側(cè)電源和接地圖標(biāo)，單擊“POWER”，一個箭頭形狀的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字直流電源(即高電平)出現(xiàn)在元件預(yù)覽區(qū)，拖出后與觸發(fā)器的JK端接上，如下圖所示。因為四個觸發(fā)器的JK端接法都一樣，故采取復(fù)制法畫其他三個觸發(fā)器。用左鍵選中剛才所畫的圖形，選取上方的復(fù)制按鈕，連續(xù)單擊鼠標(biāo)三次，得到如下圖所示的圖形。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是31頁\一共有42頁\編輯于星期日接下來，把前一個觸發(fā)器的輸出端連接到下一個觸發(fā)器的時鐘CLK端上。再把時鐘“CLOCK”拖出，連在第一個觸發(fā)器的CLK輸入端上，如下圖所示。如果是下降沿觸發(fā)的觸發(fā)器，則把前一個觸發(fā)器的Q端連到下一個觸發(fā)器的時鐘CLK端上。把該電路保存為“Counter.DSN”。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是32頁\一共有42頁\編輯于星期日（3）電路的動態(tài)仿真為了觀察計數(shù)器計數(shù)的動態(tài)過程，我們在每個觸發(fā)器的輸出端Q連接一個邏輯電平探測器，能夠顯示0和1。把LOGICPROBE(BIG)元件拖到圖形編輯區(qū)內(nèi)，連續(xù)雙擊鼠標(biāo)三次，得到四個邏輯探測器。分別接到每個JK觸發(fā)器的輸出端Q上。最后一個觸發(fā)器為最高位(MSB)。同時，把七段數(shù)碼顯示拖入編輯區(qū)。數(shù)碼管的最左端是高位，分別和各觸發(fā)器的輸出端Q相連，如下圖所示。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是33頁\一共有42頁\編輯于星期日按下仿真運行按鈕，四個邏輯探測器組成的四位二進(jìn)制數(shù)從0000-1111變化，而七段數(shù)碼管則顯示0-F。另外我們還觀察到每個器件的連線端都有紅藍(lán)兩色小方塊來顯示該端的電平變化，紅色為高電平，藍(lán)色為低電平。如下圖所示，十六進(jìn)制計數(shù)器計到14，顯示“E”。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是34頁\一共有42頁\編輯于星期日（4）電路波形的生成有時為了方便分析，我們還會在已繪制好的圖中加上波形圖。在一個波形圖中，可以插入多個觀測點的波形，它們既可以是數(shù)字波形，也可以是模擬波形或是其他形式的波形。現(xiàn)在我們想把上圖中四個觸發(fā)器的輸出端Q的波形分別顯示出來。首先要把一個電壓探針接在被測點，左側(cè)圖標(biāo)和分別為電壓和電流探針。四個電壓探針分別命名為Q1、Q2、Q3和Q4。單擊左側(cè)圖標(biāo)，選擇插入波形的種類。如下圖所示，選擇數(shù)字波形(DIGITAL)或數(shù)字模擬混合波形(MIXED)。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是35頁\一共有42頁\編輯于星期日接下來放置波形。選擇主菜單【Graph】→【EditGraph】，在圖形編輯區(qū)的下方單擊鼠標(biāo)左鍵拖出一個長方形波形區(qū)域，再次單擊左鍵確定。選擇【Graph】→【AddTrace】，添加軌跡，在彈出的對話框中，選擇右側(cè)的數(shù)字(Digital)波形，選中ProbeP1中的Q1(電壓探針加上后，所有探針的名稱自動出現(xiàn)在這里)，單擊“OK”(如左圖所示)，Q1的坐標(biāo)出現(xiàn)在波形圖中。繼續(xù)選擇【Graph】→【AddTrace】，選中Q2，重復(fù)上一步驟，直到四點波形坐標(biāo)都加到圖形中為止。選擇主菜單【Graph】→【EditGraph】，把波形標(biāo)題更改為“DIGITALANALYSIS”(數(shù)字波形分析)，把停止時間改為16，如右圖所示。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是36頁\一共有42頁\編輯于星期日選擇“Graph”→“SimulateGraph”或按空格鍵，生成波形。不需要運行仿真，只要執(zhí)行此命令，四個探測點的波形就自動生成了，如下圖所示。這種波形不同于示波器顯示的波形，它能夠靜態(tài)地保留在原理圖中，供讀者分析或隨圖形一起輸出打印。當(dāng)按下空格鍵后，它可以再次刷新生成。左擊波形圖的綠色標(biāo)題欄部分，可全屏顯示波形，并可根據(jù)全屏顯示的菜單更改波形及背景的顏色，拉動豎線，在左側(cè)查看各時刻各觀測點電平的高低等。山東師范大學(xué)現(xiàn)在是37頁\一共有42頁\編輯于星期日（5）變式演練設(shè)計一個555多諧振蕩器，輸出一個10Hz的方波。根據(jù)計算公式，取C1為473(0.047μF)，設(shè)R1與R2相等，