《电子设计自动化》课件第3章

第3章Proteus虚拟仪器3.1ProteusISIS虚拟仪器 3.2示波器 3.3逻辑分析仪 3.4计数器/定时器 3.5虚拟终端 3.6SPI调试器 3.7I2C调试器 3.8信号源 3.9模式发生器 3.10电压表与电流表 本章小结

本章详细介绍Proteus软件的虚拟仪器及其应用。

本章共分九节，分别介绍Proteus虚拟仪器及其应用，其中包括示波器、逻辑分析仪、计数器/定时器、虚拟终端等。

通过本章的学习，读者可详细了解Proteus虚拟仪器及其应用。内容提要

在ProteusISIS环境中，单击模式选择按钮“ ”，可在对象选择器中列出所有虚拟仪器，如图3-1所示。虚拟仪器的名称如表3-1所示。

3.1ProteusISIS虚拟仪器图3-1虚拟仪器

表3-1ProteusISIS虚拟仪器列表

示波器(OSCILLOSCOPE)用来测量信号的电压幅值和频率，并显示电压波形曲线。ProteusISIS中提供的示波器有四个输入通道，可同时测试四路信号。ProteusISIS示波器的图标与操作界面分别如图3-2、3-3所示。3.2示波器图3-2ProteusISIS示波器的图标图3-3示波器的操作界面

1．功能说明

如图3-3所示，示波器的操作界面包括图形显示区、Trigger区、Horizontal区、ChannelA、ChannelB、ChannelC和ChannelD区七个部分。

(1)图形显示区：显示测试信号波形。

(2)

Trigger区：设置触发方式。

“Level”旋钮：设置水平坐标线，且只在调节旋钮时才出现。

DC/AC选择：DC为直接耦合，可测试交直流信号；AC为电容耦合，只显示交流信号。触发方式选择：可选择上升沿或下降沿触发。

“AUTO”按钮：自动扫描方式按钮，这种扫描方式不管有无触发信号均有扫描线，一般情况采用AUTO方式。

“One-Shot”按钮：单次扫描方式按钮。按下该按钮后，示波器处于单次扫描等待状态，触发信号来到后开始一次扫描。

“Cursors”按钮：按下该按钮后，可用鼠标在图形区标注横纵坐标，用来显示电压波形的幅值和周期。如图3-5所示。

(3)

ChannelA区：A通道。

“Position”旋钮：调整波形的垂直位置。

刻度调节旋钮：用来调节A通道信号的显示比例，表示图形区每格对应的电压值。有粗调与细调两个旋钮，外旋钮为粗调，内旋钮为细调。

“AC”按钮：电容耦合，只显示交流信号。

“DC”按钮：直接耦合，显示交直流信号。

“GND”按钮：波形显示为0。

“OFF”按钮：关闭A通道。

“Invert”按钮：波形反相显示。

“A+B”按钮：A通道信号与B通道信号叠加显示。

注：ChannelB、ChannelC和ChannelD区的功能同ChannelA区。图3-4示波器应用电路

2．应用示例

(1)创建电路。创建的示波器应用电路如图3-4所示。

(2)仿真分析。单击仿真按钮，右击示波器图标，选择右击菜单命令DigitalOscilloscope，弹出示波器操作界面，得到正弦信号的波形，如图3-5所示。图3-5示波器显示正弦信号波形

逻辑分析仪(LOGICANALYSER)用来测试数字信号波形，可用于对数字信号的高速采集与时序分析。它将连续输入的数字信号存入大的捕捉缓冲器，是一个采样过程，且分辨率通过操作界面可调。当分辨率确定后，能测量的最短时钟即确定下来。同时，用户可移动测量标记，对脉冲宽度进行精确测量。逻辑分析仪的图标与操作界面分别如图3-6、3-7所示。3.3逻 辑 分 析 仪图3-6逻辑分析仪的图标如图3-6所示，A0～A15为16路数字量输入，B0～B3为总线输入，每条总线支持8位数据输入，主要用于单片机的动态输出信号。运行以后可显示数字信号波形。图3-7逻辑分析仪的操作界面

1．功能说明

如图3-7所示，逻辑分析仪的操作界面包括图形显示区、Trigger区、Horizontal区和CaptureResolution区四个部分。

(1)图形显示区：显示被测数字信号的波形。

(2)

Trigger区：设置触发方式。

“Capture”按钮：仿真运行后，单击“Capture”按钮，该按钮首先变红，再变为绿色，则图形显示区显示被测信号波形。

“Cursors“按钮：单击该按钮后，可用鼠标在图形区标注横坐标，进而检测脉冲的宽度。

“Position”旋钮：调节该旋钮，可以左右移动波形。

(3)

Horizontal区(DisplayScale旋钮)：调节该旋钮，即改变横向每格的时间值(相当于示波器的扫描时间)，信号的频率越高，扫描时间应越小，这样才能清楚地看出显示的数字信号波形。有粗调与细调两个旋钮，外旋钮为粗调，内旋钮为细调。

(4)

CaptureResolution区：调节该旋钮，即改变信号的采样时间。

注：采样时间应小于信号的半个周期，才能成功捕捉信号，相当于在一个信号周期内至少应采样两个点。

2．应用示例

1)创建电路

创建逻辑分析仪应用电路，如图3-8所示。端口A0输入100Hz方波，A1接高电平，A2接低电平。

图3-8逻辑分析仪应用电路

2)仿真分析

单击仿真按钮，右击逻辑分析仪图标，选择右击菜单命令VSMLogicAnalyser，弹出逻辑分析仪操作界面，单击“Capture”按钮，得到输入信号的波形，如图3-9所示。

3)仿真说明

(1)弹出逻辑分析仪的操作界面后，要单击“Capture”按钮，才能显示测试信号波形。

(2)若单击“Capture”按钮后，不能显示输入信号波形，可调节“DisplayScale”旋钮与“CaptureResolution”旋钮，实现波形的显示。

(3)单击“Cursors”按钮，用鼠标在图形显示区进行标注，如图3-9所示。通过标注可看出，方波信号的周期为0.01s(2.47～2.48s)。图3-9逻辑分析仪显示输入信号波形

计数器/定时器(COUNTERTIMER)既可用作计数器，也可用作定时器。计数器/定时器的图标如图3-10所示。3.4计数器/定时器图3-10计数器/定时器图标如图3-10所示，计数器/定时器有三个输入端子，分别是：

CLK：该仪器作频率计和计数器时，为时钟输入端。

CE：计数使能端(CountEnablePolarity)。该仪器作计数器使用时，可通过属性对话框设置该端子为高电平或低电平有效，如图3-11所示。当CE无效时，计数暂停；一旦CE有效，则恢复计数。

RST：复位端。可通过属性对话框设置为上升沿(Low-High)或下降沿(High-Low)触发。当复位信号有效时，计时或计数复位至0，然后立即从0开始计时或计数。图3-11计数器/定时器属性设置对话框

1．功能说明

计数器/定时器有四种工作模式，分别是：

Timer(secs)，定时模式，相当于秒表，分辨率为1μs。

Timer(hms)，定时模式，具有时、分、秒的时钟，分辨率为1ms。

Frequency，频率计模式，分辨率为1Hz。

Count，计数器模式，最大计数值为99999999。

注：当工作于缺省(Default)模式时，默认为计数器。工作模式可通过属性对话框进行选择，也可通过操作界面(如图3-13所示)进行选择。

2．应用示例

1)定时模式—用作秒表

(1)创建电路。创建秒表仿真电路，如图3-12所示。

图3-12秒表仿真电路

(2)仿真分析步骤：

单击运行按钮，则计数器/定时器可当作秒表用来显示结果，如图3-12所示。

切换开关SW1，产生上升沿信号，则秒表至0，然后立即从0计时。

仿真过程中，单击计数器/定时器图标，则弹出计数器/定时器的操作界面，如图3-13所示。在操作界面中，还可通过鼠标单击“MANNUALRESET”按钮进行手动复位。图3-13计数器/定时器的操作界面(用作秒表)

注：仿真以前，双击计数器/定时器的图标，则弹出属性对话框；单击仿真按钮以后，再单击计数器/定时器的图标，则弹出计数器/定时器的操作界面。

2)定时模式—用作数字时钟

仿真电路同3-12。仿真结果如图3-14所示。图3-14计数器/定时器的操作界面(用作数字时钟)

3)频率计模式

(1)创建电路。创建频率计应用电路，如图3-15所示。CLK接数字时钟信号，频率为105Hz；CE与RST接单刀双掷开关(用开关产生高低电平和边沿信号)。

(2)仿真分析步骤：

单击仿真按钮，则频率计显示被测信号的频率(105Hz)，如图3-15所示。

切换开关SW1至下触点(CE无效)，则显示的频率为0；再切换开关SW1至上触点(CE有效)，则频率计重新显示被测信号的频率(105Hz)。

将开关SW2由下触点切换至上触点(RST产生上升沿信号)，则频率计复位至0，随后继续测量被测信号的频率。图3-15计数器/定时器作频率计的电路与操作界面

注：作频率计使用时，只能测量数字信号的频率；若输入信号为模拟信号(如正弦信号)，需转换为数字信号(可用比较器将模拟信号转换为数字信号)，才能用频率计测量。

4)计数器模式—用作计数器

计数器/定时器作计数器时，是对输入的时钟信号进行加计数操作。

仿真电路同图3-15。仿真结果如图3-16所示。图3-16计数器/定时器作计数器时的电路与操作界面

虚拟终端(VIRTUALTERMINAL)在仿真时充当键盘与显示屏的双重功能，可作为上位机的系统模型，实现上下位机的串行通信。串行通信时，虚拟终端经RS-232接口模型与单片机之间异步发送与接收数据。串行通信在仿真时，虚拟终端会弹出一个显示界面，当由上位机(PC机)向单片机发送数据时，可以与实际的键盘关联，用户可通过键盘经虚拟终端输入数据；当单片机向PC机发送数据时，虚拟终端相当于一个显示屏，会显示相应的信息。虚拟终端的图标如图3-17所示。3.5虚拟终端图3-17虚拟终端的图标如图2-22所示，虚拟终端共有四个信号端子，分别是：

RXD：数据接收端。

TXD：数据发送端。

RTS：请求发送信号。

CTS：清除传送，是对RTS的响应信号。

使用虚拟终端时需设置其参数，双击虚拟终端的图标，弹出虚拟终端属性设置对话框，如图3-18所示。图3-18虚拟终端的属性设置对话框虚拟终端的参数主要有：

BaudRate：波特率，110～57600bps。

DataBits：数据位，7位或8位。

Parity：奇偶校验位，奇校验、偶校验或无校验。

StopBits：停止位，0位、1位或2位。

SendXON/XOFF：第9位发送允许/禁止。

虚拟终端的显示界面如图3-19所示。关于虚拟终端的应用详见8.6.4节。图3-19虚拟终端的显示界面

SPI(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)总线是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口，允许微处理器与各种外设之间以同步串行通信方式交换信息。ProteusISIS提供的SPI调试器可接收SPI总线数据，也可向SPI总线发送数据。SPI调试器的图标如图3-20所示。3.6SPI调试器图3-20SPI调试器的图标在图3-20中，SPI调试器共有五个信号端子。分别是：

DIN：数据接收端。

DOUT：数据输出端。

SCK：连接总线时钟端。

：从模式选择端。当SPI调试器工作于从模式时，该信号须为低电平；当SPI调试器工作于主模式且数据正在传输时，此信号端子输出低电平。

TRIG：输入端，能将下一个存储序列放到SPI的输出序列中。图3-21SPI调试器的属性设置对话框

SPI调试器的主要参数有：

SPIMode：工作模式，Master为主模式(SPI调试器作SPI主设备使用)、Slave为从模式(SPI调试器作SPI从设备用)、Monitor为监控模式(SPI调试器用来监测SPI总线上的信息)。

MasterclockfrequencyinHz：主模式的时钟频率。

SCKIdlestateis：选择SCK的空闲状态(高电平或低电平)。

Samplingedge：采样边沿，指定DIN引脚的采样边沿，选择SCK从空闲到激活时采样，或选择SCK从激活到空闲时采样。

Bitorder：传输位顺序，指定待传输的数据位顺序。可先传输数据的最低位LSB，也可先传输数据的最高位MSB。

1．用SPI调试器发送数据

(1)将SPI图标的DIN与SCK连接至设计电路的对应端口。

(2)通过属性设置对话框，将SPI调试器设置为主模式，时钟频率与SCK时钟频率一致。

(3)单击仿真按钮，弹出SPI调试器的操作界面(主模式)，如图3-22所示。图3-22SPI调试器的操作界面(主模式)

SPI调试器的操作界面包括①、②、③、④以及操作按钮五个部分。

①区：数据显示区，按位显示传输的数据序列。

②区：序列缓冲区，当单击“Queue”按钮后，待传输的数据序列(如区所示的“1011b”)在该区缓存后，再在区显示(可看到数据在区中一闪而过)。

③区：待传输序列存放区，存放待传输的数据序列。

④区：数据序列编辑区，通过键盘编辑数据序列(编辑过的数据序列可通过“Add”按钮加入区，也可通过“Delete”按钮将区中的序列删除)。

“Queue”按钮：单击该按钮后，完成数据序列的传输操作。

2．用SPI调试器接收数据

(1)将SPI图标的DIN与SCK连接至设计电路的对应端口。

(2)通过属性设置对话框，将SPI调试器设置为从模式，使时钟频率与SCK时钟频率一致。

(3)单击仿真按钮，弹出SPI调试器的操作界面(从模式)，如图3-23所示。接收的数据可显示在左上部的窗口中。图3-23SPI调试器的操作界面(从模式)

I2C总线是Philips公司推出的芯片间串行传输总线，它只需要两根信号线(串行时钟线SCL和串行数据线SDA)就能实现总线上各元器件的全双工同步数据传送。因此，利用I2C总线可方便实现外围器件的扩展与系统的构建。3.7I2C调试器图3-24I2C调试器的图标

I2C总线的元器件地址采用硬件设置，而不是采用软件寻址的片选方法，使硬件配置更加灵活。I2C总线接口集成在片内，用户无需设计接口，使硬件设计时间大为缩短，且从总线中直接移出芯片后，对总线上的其他芯片没有影响，这方便了系统的升级换代。依据I2C总线规范，总线中所有传输的状态都将生成相应的状态码，系统主设备能根据状态码自动进行总线管理，用户只需在程序中装入标准处理模块完成I2C总线的初始化，启动I2C总线即可完成规定的数据传输操作。

ProteusISIS提供的I2C调试器允许用户监测I2C总线并与之交互；可接收I2C总线数据，也可向I2C总线发送数据。I2C调试器的图标如图3-24所示。

图3-24中的I2C调试器共有三个信号端子，分别是：

SDA：双向数据线。

SCL：时钟线，双向。

TRIG：触发输入，能引起存储序列连续地放置到输出队列中。

使用I2C调试器时需设置其参数，双击I2C调试器的图标，弹出I2C调试器的属性设置对话框，如图3-25所示。图3-25I2C调试器的属性设置对话框图3-25中I2C调试器的主要参数有：

ClockfrequencyinHz：时钟频率。

Addressbyte1：地址字节1，如果使用I2C调试器作为从设备，则这一属性指定从设备的第一个地址字节。

Addressbyte2：地址字节2，如果使用I2C调试器作为从设备，并期望使用10位地址，则这一属性指定从设备的第二个地址字节。

Stoponbufferempty：当缓冲区序列为空时停止。

I2C调试器的收发操作界面同SPI调试器，本处不再赘述。

ProteusISIS提供的信号源包括非调制信号与调制信号两种。信号源图标如图3-26所示。3.8信号源图3-26信号源图标

1．非调制信号

非调制信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波信号。单击仿真按钮，弹出信号源操作界面，如图3-27所示。

在图3-27中，信号源操作界面包括Frequency、Amplitude、Waveform、Polarity四个部分。

Frequency：频率调节，包括左边两个旋钮，Centre调节数值、Range调节倍率，信号频率范围为0～12MHz。

Amplitude：幅值调节，包括中间两个旋钮，Level调节数值、Range调节倍率，信号幅值范围为0～12V。

Waveform：波形选择按钮，单击该按钮，可依次选择矩形波、锯齿波、三角波和正弦波。图3-27仿真运行后的信号源操作界面

Polarity：极性选择按钮，单击该按钮，可选择输出波形为单极性波形或双极性波形。

注：作非调制信号使用时，信号源图标(如图3-26所示)下面的两个信号端子(AM和FM)悬空；右边“+”连接至电路的输入端，“-”接地。

信号源仿真时，可用示波器观测其波形，如图3-28所示。

图3-28信号源仿真连接图单击仿真按钮，弹出示波器操作界面，可显示信号源输出波形，如图3-29所示。图3-29信号源输出波形

2．调制信号

信号源作调制信号源使用时，可输出调幅波和调频波两种。所谓调幅，是指用调制信号控制载波的振幅；所谓调频，是指用调制信号控制载波的频率。

1)用信号源产生调幅波信号

(1)创建仿真电路。创建调幅波仿真电路，如图3-30所示。

在信号源图标的AM端子接调制信号(调制信号为正弦波、100Hz、1V)，载波信号(载波为正弦波、1kHz、3.4V，如图3-31中的信号源操作界面)由信号源通过操作界面设置。示波器A、B通道分别检测调幅波信号及调制信号。

图3-30调幅波仿真电路

(2)仿真分析。单击仿真按钮，弹出信号源与示波器的操作界面，得到信号源产生调幅波的仿真结果，如图3-31所示。从仿真结果来看，高频调幅波的幅值随着调制信号的规律变化。图3-31信号源产生调幅波的仿真结果

2)用信号源产生调频波信号

(1)创建电路。创建调频波仿真电路，如图3-32所示。

在信号源图标的FM端子接调制信号(调制信号为正弦波、20Hz、1V)，载波信号(载波为正弦波、1kHz、3.4V，如图3-33中的信号源操作界面)由信号源通过操作界面设置。示波器A、B通道分别检测调频波信号及调制信号。

图3-32调频波仿真电路

(2)仿真分析。单击仿真按钮，弹出信号源与示波器的操作界面，得到信号源所产生调频波的仿真结果，如图3-33所示。从仿真结果来看，调频波的瞬时频率随着调制信号的规律变化。图3-33信号源产生调频波的仿真结果

模式发生器(PatternGenerator)是模拟信号发生器的数字等价物，它支持8位1KB的模式信号(数字信号)。当模式发生器用作接收器时，相当于一个点阵显示屏，能接收单片机或其他数字器件输出的数字信号，并以点阵的形式显示；当模式发生器用作发送器时，可产生8位1KB的数字信号，供其他数字设备使用。3.9模 式 发 生 器

1．模式发生器的图标与引脚

模式发生器的图标如图3-34所示。图3-34模式发生器的图标模式发生器的引脚说明如下：

CLKIN：外部时钟输入端，若模式发生器选择外部时钟(在模式发生器的属性对话框中选择)，此引脚接外部时钟(可选择外部上升沿或外部下降沿)；若模式发生器选择内部时钟，此引脚悬空。

HOLD：信号输入端，高电平有效，用来保持模式发生器的当前状态。

TRIG：触发输入端，接外部触发的时钟信号，有四种外部触发模式。

OE：输出使能控制端，高电平有效，当该引脚接高电平或悬空时，模式发生器输出模式信号(数字信号)。

CLKOUT：时钟输出端，当模式发生器使用的是外部时钟时，此引脚可镜像输出内部时钟，特别适用于高频时钟信号。

CASCADE：级联输出端，用于模式发生器的级联。当模式发生器的第一位被驱动时，此端子输出高电平，并保持到下一位被驱动之后的一个时钟周期。

B[0..7]：数据输入端，可接收数字设备输出的数字信号。

Q0～Q7：数据输出端，可输出8位数字信号，供其他数字器件使用。

2．模式发生器的属性设置

双击模式发生器的图标，弹出模式发生器的属性设置对话框，如图3-35所示。图3-35模式发生器的属性设置对话框如图3-35所示，模式发生器的属性对话框主要参数如下：

ClockRate：时钟频率。

ResetRate：复位频率(触发频率)。

ClockMode：时钟模式。有三种时钟模式：Internal(内部时钟)、ExternalPosEdge(外部时钟的上升沿)、ExternalNegEdge(外部时钟的下降沿)。

ResetMode：复位模式(触发模式)，有五种复位模式：Internal(内部触发)；AsyncExternalPosEdge(异步外部时钟的上升沿触发)；SyncExternalPosEdge(同步外部时钟的上升沿触发)；AsyncExternalNegEdge(异步外部时钟的下降沿触发)；SyncExternalPosEdge(同步外部时钟的下降沿触发)。

ClockoutEnabledinInternalMode：内部模式下的时钟输出使能。

OutputConfiguration：输出配置，共三种：OutputtoBothPinsandBus(引脚和总线均输出)；OutputtoPinsOnly(仅通过引脚输出)；OutputtoBusOnly(仅通过总线输出)。

PatternGeneratorScript：从模式发生器的脚本文件导入模式数据。

3．模式发生器的特性

该模式发生器既可在交互仿真中使用，也可在基于图标的仿真中使用。它具有以下几个特点：

支持内部时钟或外部时钟及触发方式；

可用鼠标调整时钟刻度盘和触发器刻度盘；

十六进制或十进制栅格显示模式；

可导入或导出数据至脚本文件；

可单步执行；

可使用外部控制，使其保持当前状态；

栅格上的块编辑命令使得模式配置更容易。

4．模式发生器的应用

(1)创建仿真电路。创建模式发生器仿真电路，如图3-36所示。模式发生器的OE端接高电平(允许输出)，输出端Q0～Q7通过总线接发光二极管。

图3-36模