电路仿真与工具软件应用学习第八章

电路仿真与工具软件应用学习第八章第一页，共四十三页，2022年，8月28日8.1Proteus整体功能预览8.1.1集成化的电路虚拟仿真软件——ProteusProteus软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的。Proteus是一个基于ProSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台。它包含ISIS和ARES应用软件：ISIS——智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台。ARES——高级PCB布线编辑软件。Proteus的电路仿真功能可以和Multisim相媲美，且独特的单片机仿真功能是Multisim及其他任何仿真软件都不具备的；它的PCB电路制版功能可以和Protel相媲美。从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus从原理图设计到PCB设计，再到电路板完成的流程下图所示。第二页，共四十三页，2022年，8月28日第三页，共四十三页，2022年，8月28日8.1.2Proteus特色一：微处理器系统仿真Proteus软件的ISIS原理图设计界面支持电路仿真模式VSM(虚拟仿真模式)。当电路元件在调用时，我们选用具有动画演示功能的器件或具有仿真模型的器件，当电路连接完成无误后，直接运行仿真按钮，即可实现声、光、动等逼真的效果，以检验电路硬件及软件设计的对错，非常直观。单片机系统的仿真是ProteusVSM的主要特色。用户可在Proteus中直接编辑、编译、调试代码，并直观地看到仿真结果。CPU模型有ARM7(LPC21xx)、PIC、AtmelAVR、MotorolaHCXX以及8051/8052系列。同时模型库中包含了LED/LCD显示、键盘、按钮、开关、常用电机等通用外围设备。VSM甚至能仿真多个CPU，它能便利处理含两个或两个以上微控制器的系统设计。第四页，共四十三页，2022年，8月28日微处理器交互仿真实例第五页，共四十三页，2022年，8月28日虚拟仿真电路与外部实际电路的双向通信第六页，共四十三页，2022年，8月28日Proteus与Keil的联调第七页，共四十三页，2022年，8月28日8.1.3Proteus特色二：ProteusARES的PCB预览功能第八页，共四十三页，2022年，8月28日8.2Proteus快速入门

8.2.1一阶动态电路的设计与仿真本例所用到的元件清单如表：第九页，共四十三页，2022年，8月28日（1）元件的拾取用鼠标左键单击界面左侧预览窗口下面的“P”按钮，弹出“PickDevices”(元件拾取)对话框ISIS7Professional的元件拾取就是把元件从元件拾取对话框中拾取到图形编辑界面的对象选择器中。元件拾取共有两种办法：(1)按类别查找和拾取元件拾取元件对话框共分四部分，左侧从上到下分别为直接查找时的名称输入、分类查找时的大类列表、子类列表和生产厂家列表。中间为查到的元件列表。右侧自上而下分别为元件图形和元件封装，(2)直接查找和拾取元件把元件名的全称或部分输入到PickDevices(元件拾取)对话框中的“Keywords”栏，在中间的查找结果“Results”中显示所有电容元件列表，用鼠标拖动右边的滚动条，出现灰色标示的元件即为找到的匹配元件。第十页，共四十三页，2022年，8月28日第十一页，共四十三页，2022年，8月28日按照电容的拾取方法，依次把五个元件拾取到编辑界面的对象选择器中，然后关闭元件拾取对话框。第十二页，共四十三页，2022年，8月28日下面把元件从对象选择器中放置到图形编辑区中。用鼠标单击对象选择区中的某一元件名，把鼠标指针移动到图形编辑区，双击鼠标左键，元件即被放置到编辑区中。电阻要放置两次，因为本例中用到两个电阻。第十三页，共四十三页，2022年，8月28日（2）编辑窗口视野控制编辑窗口的视野平移可用以下方法：a.在原理图编辑区的蓝色方框内，把鼠标指针放置在一个地方后，按下“F5”，则以鼠标指针为中心显示图形。b.当图形不能全部显示出来时，按住“Shift”键，移动鼠标指针到上、下、左、右边界，则图形自动平移。c.快速显示想要显示的图形部分时，把鼠标指向左上预览窗口中某处，并单击鼠标左键，则编辑窗口内图形自动移动到指定位置。编辑窗口的视野缩放用以下方法：a.先把鼠标指针放置到原理图编辑区内的蓝色框内，上下滚动鼠标滚轮即可缩放视野。b.放置鼠标指针到编辑窗口内想要放大或缩小的地方，按“F6”(放大)或“F7”(缩小)放大或缩小图形，按“F8”显示整个图形。第十四页，共四十三页，2022年，8月28日(3)元件位置的调整和参数的修改在编辑区的元件上单击鼠标左键选中元件(为红色)，在选中的元件上再次单击鼠标右键则删除该元件，而在元件以外的区域内单击右键则取消选择。单个元件选中后，单击鼠标左键不松可以拖动该元件。群选使用鼠标左键拖出一个选择区域，使用图标来整体移动。使用图标可整体复制，图标用来刷新图面。按下图所示元件位置布置好元件。使用界面左下方的四个图标、、、可改变元件的方向及对称性。把两位开关调整成图示的方位。第十五页，共四十三页，2022年，8月28日先存一下盘。建立一个名为Proteus的目录，选主菜单File→SaveDesignAs，在打开的对话框中把文件保存为Proteus目录下的“Cap1.DSN”，只用输入“Cap1”，扩展名系统自动添加。下面改变元件参数：左键双击原理图编辑区中的电阻R1，弹出“EditComponent”(元件属性设置)对话框，把R1的Resistance(阻值)由10kΩ改为1kΩ，把R2的阻值由10kΩ改为100Ω(缺省单位为Ω)。EditComponent(元件属性设置)对话框下图所示。第十六页，共四十三页，2022年，8月28日注意到每个元件的旁边显示灰色的“<TEXT>”，为了使电路图清晰，可以取消此文字显示。双击此文字，打开一个对话框，如下图所示。在该对话框中选择“Style”，先取消选择“Visible”右边的“FollowGlobal”选项，再取消选择“Visible”选项，单击“OK”即可。第十七页，共四十三页，2022年，8月28日也可在元件调用前，直接选择主菜单中的【Template】→【SetDesignDefaults…】打开画图模板设置选项，如下图所示。第十八页，共四十三页，2022年，8月28日接着出现EditDesignDefaults(编辑模板设计)对话框，如下图所示。在“Showhiddentext”选项中把对勾去掉，然后单击“OK”即可。每个元件的旁边不再显示灰色的“<TEXT>”。第十九页，共四十三页，2022年，8月28日（4）电路连线电路连线采用按格点捕捉和自动连线的形式，所以首先确定编辑窗口上方的自动连线图标为按下状态。Proteus的连线是非常智能的，它会判断你下一步的操作是否想连线从而自动连线，而不需要选择连线的操作，只需用鼠标左键单击编辑区元件的一个端点拖动到要连接的另外一个元件的端点，先松开左键后再单击鼠标左键，即完成一根连线。连线完成后如下左图所示。连线完成后，如果再想回到拾取元件状态，按下左侧工具栏中的“元件拾取”图标即可，如下右图所示。第二十页，共四十三页，2022年，8月28日（5）电路的动态仿真前面我们已经完成了电路原理图的设计和连接，下面来看看电路的仿真效果。首先在主菜单“System”→“SetAnimationOptions”中设置仿真时电压及电流的颜色及方向，如下图所示。在打开的对话框中，选择“ShowWireVoltagebyColour”和“ShowWireCurrentwithArrows”两项，即选择导线以红、蓝两色来表示电压的高低，以箭头标示来表示电流的流向。第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日单击ProteusISIS环境中左下方的仿真控制按钮 中的运行按钮，开始仿真。仿真开始后，用鼠标单击图中的开关，使其先把电容与电源接通，如下图所示。能清楚地看到电容充电的效果。第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日接着单击开关，使其把电容与灯连通。看到灯闪了一下，如下图所示。由于充电时间常数为1秒，放电时间常数小一些，瞬间放电，所以灯亮的时间很短。如果放电时间常数再大，则不易观察到灯亮的效果。在运行时，可以来回拨动开关，反复观察充放电过程。单击仿真控制按钮中的停止按钮，仿真结束。第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日（6）文件的保存在设计过程中要养成不断存盘的好习惯，以免突发事件而造成事倍功半的效果，影响学习情绪。最好先建立一个存放“*.DSN”文件的专用文件夹，你会发现在这个文件夹中，除了刚刚设计完成的“Cap1.DSN”文件外，还有很多其他扩展名的文件，可以统统删除。下次打开时，可直接双击“Cap1.DSN”文件，或先运行Proteus，再打开“Cap1.DSN”文件。第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日（7）变式演练下面来尝试自己动手设计一个电容充放电电路，如下图所示。与刚才的电路不同的是，这个电路选用了两个一位开关代替原来的一个两位开关；在充放电回路中分别串入了直流数字电流表，在电容两端并接了一个电压表，用于观察充放电过程中的电流及电压的变化；另外，放电回路中取消了放电电阻，充电电阻值和电容值也都有变化。第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日所用元件名称及所属的库文件如下表所示，可采取直接查询法来拾取表中元件。第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日选取虚拟仪器图标 来获取直流电压表和电流表，如下图所示。由上而下的仪器分别为示波器(OSCILLOSCOPE)、逻辑分析仪(LOGICANALYSER)、计数定时器(COUNTERTIMER)、虚拟终端(VIRTUALTERMINAL)、信号发生器(SIGNALGENERATOR)、模式发生器(PATTERNGENERATOR)、直流电压表(DCVOLTMETER)、直流电流表(DCAMMETER)、交流电压表(ACVOLTMETER)和交流电流表(ACAMMETER)。第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日两个电流表设置为毫安表，分别取名为AM1和AM2；电压表取名为VM1。双击电流表，出现如下图所示的EditComponent(属性设置)对话框，照图完成设置。把此文件保存为“CAP2.DSN”。在仿真时，注意观察电流表和电压表数值的变化。第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日8.2.2异步四位二进制计数器的设计及仿真如果已经具备了数字电子技术的知识，就会知道，这是一个异步时序逻辑电路，由四个触发器构成，这里选用JK触发器，把它们的JK端全接高电平，前一级的输出作为后一级的时钟信号。观察四个触发器输出端所组成的二进制数的变化是否为0-F(即0000-1111)。（1）元件的拾取如果不知道所用元件的确切名字及所在的库，可以用查询的方法在所有库里海选。选择主菜单“Library”→“PickDevice/Symbol”，或直接单击左侧工具箱中的图标后再单击“P”按钮，打开如下图所示的对话框。采用部分查找法，在所查找的元件名关键词中填写“JK”，所有“JK”触发器元件都被找出，列在图中的中间部分查询结果中。选中“JKFF(ACTIVE)”，即选中仿真库中的元件，单击“OK”，元件拾取到对象选择器中。第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日第三十页，共四十三页，2022年，8月28日按下表所示，采用直接查询法，把所有元件都拾取到编辑区的元件列表中。第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日（2）元件连线先放置一个JK触发器。选中左侧电源和接地图标，单击“POWER”，一个箭头形状的标准数字直流电源(即高电平)出现在元件预览区，拖出后与触发器的JK端接上，如下图所示。因为四个触发器的JK端接法都一样，故采取复制法画其他三个触发器。用左键选中刚才所画的图形，选取上方的复制按钮，连续单击鼠标三次，得到如下图所示的图形。第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日接下来，把前一个触发器的输出端连接到下一个触发器的时钟CLK端上。再把时钟“CLOCK”拖出，连在第一个触发器的CLK输入端上，如下图所示。如果是下降沿触发的触发器，则把前一个触发器的Q端连到下一个触发器的时钟CLK端上。把该电路保存为“Counter.DSN”。第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日（3）电路的动态仿真为了观察计数器计数的动态过程，我们在每个触发器的输出端Q连接一个逻辑电平探测器，能够显示0和1。把LOGICPROBE(BIG)元件拖到图形编辑区内，连续双击鼠标三次，得到四个逻辑探测器。分别接到每个JK触发器的输出端Q上。最后一个触发器为最高位(MSB)。同时，把七段数码显示拖入编辑区。数码管的最左端是高位，分别和各触发器的输出端Q相连，如下图所示。第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日按下仿真运行按钮，四个逻辑探测器组成的四位二进制数从0000-1111变化，而七段数码管则显示0-F。另外我们还观察到每个器件的连线端都有红蓝两色小方块来显示该端的电平变化，红色为高电平，蓝色为低电平。如下图所示，十六进制计数器计到14，显示“E”。第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日（4）电路波形的生成有时为了方便分析，我们还会在已绘制好的图中加上波形图。在一个波形图中，可以插入多个观测点的波形，它们既可以是数字波形，也可以是模拟波形或是其他形式的波形。现在我们想把上图中四个触发器的输出端Q的波形分别显示出来。首先要把一个电压探针接在被测点，左侧图标和分别为电压和电流探针。四个电压探针分别命名为Q1、Q2、Q3和Q4。单击左侧图标，选择插入波形的种类。如下图所示，选择数字波形(DIGITAL)或数字模拟混合波形(MIXED)。第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日接下来放置波形。选择主菜单【Graph】→【EditGraph】，在图形编辑区的下方单击鼠标左键拖出一个长方形波形区域，再次单击左键确定。选择【Graph】→【AddTrace】，添加轨迹，在弹出的对话框中，选择右侧的数字(Digital)波形，选中ProbeP1中的Q1(电压探针加上后，所有探针的名称自动出现在这里)，单击“OK”(如左图所示)，Q1的坐标出现在波形图中。继续选择【Graph】→【AddTrace】，选中Q2，重复上一步骤，直到四点波形坐标都加到图形中为止。选择主菜单【Graph】→【EditGraph】，把波形标题更改为“DIGITALANALYSIS”(数字波形分析)，把停止时间改为16，如右图所示。第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日选择“Graph”→“SimulateGraph”或按空格键，生成波形。不需要运行仿真，只要执行此命令，四个探测点的波形就自动生成了，如下图所示。这种波形不同于示波器显示的波形，它能够静态地保留在原理图中，供读者分析或随图形一起输出打印。当按下空格键后，它可以再次刷新生成。左击波形图的绿色标题栏部分，可全屏显示波形，并可根据全屏显示的菜单更改波形及背景的颜色，拉动竖线，在左侧查看各时刻各观测点电平的高低等。第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日（5）变式演练设计一个555多谐振荡器，输出一个10Hz的方波。根据计算公式，取C1为473(0.047μ