《电子制作基础》课件第3章

第3章电路设计与仿真软件3.1Multisim10软件的使用3.2Proteus软件的使用3.3KeilμVision3的使用3.4其他常用电路仿真软件简介 3.1Multisim10软件的使用

3.1.1界面介绍

Multisim10软件安装过程比较简单，根据提示操作即可。安装完成后，启动Multisim10软件，其主界面及主界面各功能如图3-1-1及表3-1-1所示。图3-1-1Multisim10软件主界面在创建一个电路图之前，还需要设置自己习惯的软件运行环境和界面，其目的是方便画电路图、仿真和观察结果。设置全局属性的菜单为【Options】→【GlobalPreferences】，设置电路原理图属性的菜单为【Options】→【SheetProperties】，设置用户界面的菜单为【Options】→【CustomizeUserInterface】，用户可根据自己的偏好自行设置。3.1.2创建电路图的基本操作

要想创建一个电路图，首先选取自己所需要的元件及仪器仪表，本节主要讲述如何选取元件、仪器仪表及如何将其连成一个完整的电路。

元件与元件参数设置

Multisim10提供的元件浏览器常用于从元件数据库中选择元件并将其放置到电路窗口中。元件在数据库中按照数据库、组、族分类管理。选取时可直接在元件工具栏和虚拟工具栏中或在菜单【Place】下选择【Component】，单击后界面如图3-1-2所示。图3-1-2“SelectaComponent”对话框默认情况下，元件数据库是MasterDatabase(主数据库)，若需要从CorporateDatabase(公共数据库)或UserDatabase(用户数据库)中选择元件，可以在Database下拉列表中选择相应的菜单；从【Family】(族)列表中选择所需的元件族；在元件列表中选择所需的元件，选择好后点击【OK】按钮即可。

在【Family】(族)中，深色背景的元件为虚拟元件，虚拟元件也可在Virtual(虚拟)工具栏中选择，虚拟元件的特点就是其参数均为理想化且可随时修改元件的数值。

元件工具栏和虚拟工具栏具体情况如表3-1-7和表3-1-8所示。

2．仪器仪表工具

Multisim10中提供了许多实验仪器，而且还可以创建LabVIEW的自定义仪器。选取仪器操作与选取元器件操作方法基本相同，可以在仪器仪表工具栏中选取所需仪器仪表、也可以在菜单【Simulate】→【Instruments】下选择所需仪器仪表。各仪器仪表具体功能如表3-1-9所示。图3-1-3失真度仪界面设置图3-1-4示波器面板图图3-1-5波特图仪面板图图3-1-6字符发生器面板图

3．电路连线

Multisim软件中采取的是自动连线方式，当鼠标移至元件的一端时，出现十字型光标，单击引出导线，然后在要连接的元件端再次单击即可，使用起来非常方便。3.1.3分析方法

Multisim软件的分析方法有很多，利用仿真产生的数据进行分析，对于电路分析和设计都非常有用，可以提高分析电路、设计电路的能力。Multisim软件分析的范围也比较广泛，从基本分析方法到一些不常见的分析方法都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分自动执行。在主工具栏中，有图形分析的图标，可在此选择分析方法，也可单击菜单【Simulate】→【Analyses】命令选择分析方法。若想查看分析结果，可单击菜单【View】→【Grapher】命令，在【GrapherView】(图示仪)窗口中设置其各种属性，如图3-1-7所示。Multisim软件总共有18种分析方法，在使用这些分析方法前要认识各种仿真分析的功能及设置其正确参数。下面介绍几种基本分析方法。图3-1-7【GrapherView】窗口

1．直流工作点分析(DCOperatingPointAnalysis)

直流工作点分析可用于计算静态情况下电路各个节点的电压、电压源支路的电流、元件电流和功率等数值。

打开需要分析的电路，单击菜单【Simulate】→【Analyses】→【DCOperatingPointAnalysis】命令，弹出直流工作点对话框，如图3-1-8所示。图3-1-8【DCOperatingPointAnalysis】对话框的【Output】标签页

2．交流分析(ACAnalysis)

交流分析可用于观察电路中的幅频特性及相频特性。分析时，仿真软件首先对电路进行直流工作点分析，以建立电路中非线性元件的交流小信号模型。然后对电路进行交流分析，并且输入的信号为正弦波信号。若输入端采用的是函数信号发生器，即使选择三角波或者方波，也将自动改为正弦波信号。图3-1-9文氏桥电路双击电源，弹出其属性对话框，可在【Value】(值)标签页中设置其交流分析的振幅和相位值，如图3-1-10所示。设置好后，单击菜单【Simulate】→【Analyses】→【ACAnalysis】命令，弹出【ACAnalysis】对话框，在【Output】标签页中可以设置需要分析的变量，如图3-1-11所示。选好之后单击【Simulate】按钮，仿真结果如图3-1-12所示。图3-1-10【Value】标签图3-1-11【Output】标签页图3-1-12文氏桥电路ACAnalysis分析显示窗口

3．瞬态分析(TransientAnalysis)

瞬态分析也叫时域瞬态分析，是观察电路中各个节点电压和支路电流随时间变化的情况，其实就是与用示波器观察电路中各个节点的电压波形一样。

在进行分析前，需要对其进行参数设置，单击菜单【Simulate】→【Analyses】→【TransientAnalysis】命令，弹出【TransientAnalysis】对话框，如图3-1-13所示。

如果需要将所有参数复位到默认值，则单击【Resettodefault】(复位到默认)按钮即可。初始值条件，有如下四种：

【SettoZero】(设置到零)：瞬态分析的初始条件从零开始；

【User-Defined】(用户自定义)：由瞬态分析对话框中的初始条件开始运行分析；

【CalculateDCOperatingPoint】(计算直流工作点)：首先计算电路的直流工作点，然后使用其结果作为瞬态分析的初始条件；

【AutomaticallyDetermineInitialConditions】(自动检测初始条件)：首先使用直流工作点作为初始条件，如果仿真失败，将使用用户自定义的初始条件。图3-1-13【TransientAnalysis】对话框

4．直流扫描分析(DCSweepAnalysis)

直流扫描分析是计算电路中某一节点的电压或某一电源分支的电流等变量随电路中某一电源电压变化的情况。

直流扫描分析的输出图形横轴为某一电源电压，纵轴为被分析节点的电压或某一电源分支的电流等变量随电路中某一电源电压变化的情况。

单击菜单【Simulate】→【Analyses】→【DCSweepAnalysis】命令，弹出【DCSweepAnalysis】(直流扫描分析)对话框，对其进行设置，如图3-1-14所示。设置好参数后，单击【Simulate】按钮，进行分析。图3-1-14【DCSweepAnalysis】对话框

5．参数扫描分析(ParameterSweepAnalysis)

参数扫描分析是针对元件参数和元件模型参数进行的直流工作点分析、交流分析及瞬态分析。所以参数扫描分析给出的是一组分析图形。

单击菜单【Simulate】→【Analyses】→【ParameterSweepAnalysis】命令，弹出【ParameterSweep】(参数扫描)对话框，对其进行设置，如图3-1-15所示。

在参数扫描分析设置中，不仅要设置被扫描的元件参数或元件模型参数，设置它们的扫描方式、初值、终值、步长和输出变量，而且要选择和设置直流工作点、瞬态分析或交流分析这三者之一。设置好参数后，单击【Simulate】按钮，进行分析。图3-1-15【ParameterSweep】对话框

6．温度扫描分析(TemperatureSweepAnalysis)

温度扫描分析就是在不同温度情况下分析电路的仿真情况。温度扫描分析的方法就是对于每一个给定的温度值，都进行一次直流工作点分析、瞬态分析或交流分析，所以除了设置温度扫描方式外，还需要设置一种分析方法，而且温度扫描分析仅会影响在模型中有温度属性的元件。

单击菜单【Simulate】→【Analyses】→【TemperatureSweepAnalysis】命令，弹出【ParameterSweep】(参数扫描)对话框，对其进行设置，如图3-1-16所示。其他分析方法还有：傅里叶分析(FourierAnalysis)、噪声分析(NoiseAnalysis)、失真分析(DistortionAnalysis)、直流和交流灵敏度分析(DCandACSensitivityAnalysis)、传输函数分析(TransferFunctionAnalysis)、极点—零点分析(Pole-ZeroAnalysis)、最坏情况分析(WorstCaseAnalysis)、蒙特卡罗分析(MonteCarloAnalysis)、线宽分析(TraceWidthAnalysis)、嵌套扫描分析(NestedSweepAnalysis)、批处理分析(BatchedAnalysis)、用户自定义分析(UserDefinedAnalysis)。图3-1-16【TemperatureSweepAnalysis】对话框3.1.4应用实例

Multisim软件的特点就是，可以像实际做电子电路实验一样来进行电子电路仿真，还可以用前面介绍的各种电子仪器或是分析方法来对电子电路进行测试，学会使用该软件，可以为电子电路研究节省很多时间及经费。实践证明，先用该软件进行仿真，再进行实际实验，效果会更好。

下面总结出了利用Multisim软件仿真电路时的步骤：

(1)从元件库中取出所需的各种元器件，注意更改其属性；

(2)布置和摆正元器件；

(3)连接电路，同时调整整体电路图的位置，使其看上去更美观、易懂；

(4)选取仪器仪表，连接到电路中，测试电路的各种属性，注意修改仪器仪表属性；

(5)接通电源，进行电路测试。

根据这些步骤，以LM7805稳压电源电路为例，介绍Mulitisim软件的使用方法。图3-1-17为LM7805稳压电源原理图。图3-1-17LM7805稳压电源原理图第二步：布置和摆正元器件，如图3-1-18所示。图3-1-18布置和摆正元器件第三步：连接电路，并且调整整体电路图位置，如图3-1-19所示。图3-1-19整体电路图第四步：选取直流电压表，测量输出电压大小，如图3-1-20所示。图3-1-20连接电压表图第五步：单击运行按钮，观察电压表，得出测试结果，如图3-1-21所示。图3-1-21测试结果图 3.2Proteus软件的使用

3.2.1界面介绍

Proteus软件包括ISIS和ARES两部分应用软件，具体功能为：原理图输入、混合模型、动态器件库、高级布线/编辑、CPU仿真模型、ASF高级图形。ISIS主要是智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台；ARES主要为高级PCB布线编辑软件。

Proteus软件的安装根据提示操作即可完成，其中ISIS软件界面如图3-2-1所示。由于大部分仿真功能都在此软件中完成，因此主要讲解这一部分。图3-2-1ProteusISIS软件界面3.2.2ProteusISIS的电路图创建

用Proteus软件创建电路图与Multisim软件有相似之处，都是先选取元件，然后将元件进行连接，最后连接仪器仪表进行仿真。同样，在创建电路图之前也需要设置编辑环境。

打开ProteusISIS软件，单击菜单【File】→【NewDesign】命令，弹出如图3-2-2所示对话框，选择合适的模板，一般选择DEFAULT模板。图3-2-2【CreateNewDesign】对话框在菜单【Template】中可根据需要设置字体、图形颜色等。设置好环境之后开始选取元件，ProteusISIS软件提供了大量元器件，单击菜单【Library】→【PickDevice】命令或者单击元器件列表栏中的【P】按钮，弹出【PickDevice】对话框，如图3-2-3所示。图3-2-3【PickDevice】对话框3.2.3Proteus的虚拟仿真工具

元器件选取好后，就需要选取激励源以及虚拟仪器来测试电路。本节主要介绍激励源及虚拟仪器。首先选取激励源，单击工具箱中【GeneratorMode】按钮，其列表同时显示，如图3-2-4所示。各种类激励源意义如表3-2-3所示。图3-2-4激励源显示列表图3-2-5虚拟仪器列表图3-2-6仿真运行图标

ProteusISIS软件中有类似Multisim软件中的分析功能的图表分析，利用图表分析时，需要与电压探针或是电流探针相结合。图表分析可根据以下步骤来完成：

(1)在电路被测点添加电压探针或是电流探针；

(2)选择图表分析类型，并在原理图中拖出此图表分析类型框；

(3)在图表框中添加探针；

(4)设置图表属性；

(5)单击图表仿真按钮生成所加探针对应的波形。图3-2-7图表分析类型3.2.4应用实例

下面通过实例来具体学习如何快速使用这款软件。以LM386功放电路为例，其电路图如图3-2-8所示。图3-2-8LM386功率放大器第一步，创建一个新的设计文件。

进入ProteusISIS编辑环境，选择【File】→【NewDesign】菜单项，在弹出菜单中选择DEFAULT模板，并将新建的设计进行保存和命名。

第二步，设置工作环境。

打开【Template】菜单，对工作环境进行设置。在本例中，使用系统默认设置。

第三步，拾取元器件。

根据设计的电路图拾取元件，最好在拾取前列出所需的元器件列表。表3-2-6为元件列表。选择【Library】→【PickDevice】→【Symbol】菜单，弹出【PickDevice】界面，选取上面所列元件，选取后，显示在元器件列表中，如图3-2-9所示。也可在关键字栏里输入所需的元件名称查找元器件。图3-2-9添加元器件第四步，放置和编辑元器件。

在原理图中放置需要的元器件，首先选中元器件，再拖至原理图中放置，放置好后，双击元件，对该元件进行编辑，设置成自己所需数值。

第五步，电路连线。

将各个器件用导线连接，该软件可进行自动导线连接，只需用鼠标左键单击元件的一个端点拖动到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。如果要删除一根连线，右键双击连线即可。完整电路图如图3-2-8所示。

第六步，电路的动态仿真。

可在主菜单中单击【System】→【SetAnimationOptions】菜单，设置仿真时电压及电流的颜色及方向，如图3-2-10所示。图3-2-10【AnimatedCircuitsConfiguration】对话框设置好后，单击运行按钮，电路开始仿真。电路仿真图如图3-2-11所示。图3-2-11LM386功放仿真图

3.3KeilμVision3的使用

3.3.1界面介绍

KeilµVision3软件可在Windows95/98/2000/XP/Vista平台上运行，其源级浏览器功能利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件，用户可通过详细的符号信息来优化变量存储器；文件查找功能可在指定的若干种文件中进行全局文件搜索；工具菜单功能允许启动指定的用户应用程序，也就是连接第三方软件。KeilµVision3界面如图3-3-1所示。

下面介绍几种常用工具栏及相应命令。图3-3-1KeilµVision3界面

1．文件菜单(File)

文件菜单主要完成有关文件方面的操作，其详细内容如表3-3-1所示。

2．编辑菜单(Edit)

3．视图菜单(View)

4．工程菜单(Project)

5．调试菜单(Debug)3.3.2KeilμVision的工程应用

Keil本身是一个纯软件的仿真，如果要进行硬件仿真，还需要连接类似TKS仿真器来进行。Keil是通过创建工程项目来实现单片机仿真的。本节主要介绍如何开发一个工程。

单击菜单【Project】→【NewProject…】命令，弹出如图3-3-2所示【CreateNewProject】对话框，选择保存路径并给该工程命名，然后单击【保存】按钮。图3-3-2【CreateNewProject】对话框图3-3-3【SelectDeviceforTarget’Target1’】对话框在该对话框中可以选择MCS-51单片机的型号，因为不同型号的51芯片内部的资源是不同的，Keil将根据选择的单片机型号为工程进行SFR的预定义，以及在软硬件仿真中提供易于操作的外设浮动窗口等。选择好后，单击“确定”按钮。

工程建好后，需要创建程序文件，单击菜单【File】→【New】命令，出现Text1的新文件窗口。这时用户可以把该文件进行保存，单击菜单【File】→【SaveAs】命令，出现另存为对话框，如图3-3-4所示，输入文件名及其后缀，后缀名为C，则为C程序，后缀名为ASM，则为汇编语言。文件保存路径最好在工程目录下，便与用户管理。图3-3-4【SaveAs】对话框创建好程序文件，还需要将此程序文件添加到该工程中，单击工程窗口的SourceGroup1，如图3-3-5所示，在弹出的快捷菜单中选择【AddFiletoGroup’SourceGroup1’】，弹出如图3-3-6所示的【AddFiletoGroup‘SourceGroup1’】对话框，选择Text1.C文件，单击【添加】按钮。在工程窗口【SourceGroup1】目录下可看到Text1文件，如图3-3-7所示。图3-3-5添加程序文件快捷菜单图3-3-6【AddFiletoGroup】对话框图3-3-7添加到工程的文件

添加文件后，图3-3-6所示的对话框可能不会关闭，如果重复添加文件，就会出现如图3-3-8所示的错误提醒，用户只需单击【确定】按钮，就可返回到之前的对话框了。

删除文件的方法很简单，只要右键单击工程窗口中需要删除的文件，在弹出的菜单中选择【RemoveFile】即可，如图3-3-9所示。图3-3-8重复添加文件的错误提醒图3-3-9删除文件快捷菜单要进行仿真，还需要对工程进行更进一步的详细设置。右键单击工程窗口中的【Target1】，选择【OptionsforTarget‘Target1’】，弹出【Target1】设置对话框，如图3-3-10所示。图3-3-10设置【Target1】对话框在此对话框中有很多选项卡，其内容如下：

Device(驱动)：选择芯片类型及其型号。

Target(目标)：用户最终系统的工作模式的设定，它决定用户系统的最终框架。

Output(输出)：输出工程文件的设定，其中可以设定生成HEX文件，如果要硬件实验，必须选此功能。

List(列表)：列表文件的输出格式设定。

C51：使用C51处理一些设定。

A51：使用A51处理一些设定。

BL51Loce：连接时用户资源的物理定位。

BL51Misc：BL51的一些附加设定。

Debug(调试)：硬件和软件仿真设定。其中，C51和调试设置最重要，需要用户仔细配置，其他设置如无特殊需要，可以采用软件默认设置。下面主要介绍这两个选项卡。

图3-3-11为【C51】选项卡，其中比较重要的是【CodeOptimization】组，设置内容如下：

Level(代码优化等级)：在对C语言进行编译时，能自动对程序做出优化，总共有9级优化，一般默认选择第8级，如果编译时出错，可试着降低优化级别。

Emphasis(代码优化侧重)：有3种选择，分别为代码量优化(最终生成的代码量小)；代码速度优先(最终生成的代码速度快)；缺省设置。一般默认速度优先。图3-3-11【C51】选项卡图3-3-12为【调试】选项卡，左侧栏为软件仿真设置，右侧栏为硬件仿真设置。在硬件仿真设置中，单击【设置】按钮，弹出【仿真器设置】界面，如图3-3-13所示。不同的仿真器有不同的设置界面，详细资料参考相应的使用手册。图3-3-12【调试】选项卡图3-3-13【仿真器设置】对话框工程设置完成并且编写好程序后，必须经过编译和连接才能够进行硬件或者软件的仿真，如果在编译中出现错误，则需要重新编译，可根据提示进行修改。编译输出无错视窗如图3-3-14所示。图3-3-14编译输出窗口编译完成后可运行程序，运行方式有单步跟踪(Stepinto)、单步运行(Stepover)、运行到光标处(Runtillcursor)、全速运行。

关于单片机的内容，读者还可以查询相关其他资料，或者在互联网上可以查找相关知识。关于仿真器的信息，可查询相关说明。单片机工程的开发涉及的内容很多，对于初学者来说，还需要在工作和学习中不断积累。3.3.3应用实例

本节以制作摇摇棒为例，讲述如何开发一个工程。

第一步，打开软件，建立一个新的工程。

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