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1、1 1 1 1第7章 PROTEUS电路仿真 7.1 PROTEUS仿真概述仿真概述 7.2 PROTEUS ISIS电路原理图设计步骤电路原理图设计步骤 7.3 基于基于PROTEUS的电路仿真的电路仿真 2 2 2 2电路仿真是最重要的电路辅助分析过程，本章简明扼要地介绍了当前比较流行的电路仿真软件PROTEUS的工作界面、编辑环境和PROTEUSISIS电路原理图的设计步骤，最后结合几个电路典型实训进行基于PROTEUS的电路仿真。 3 3 3 37.1 PROTEUS仿真概述仿真概述PROTEUS是目前最先进的原理图设计与仿真平台之一，它实现了在计算机上完成电路原理图设计、代码调试及仿
2、真、系统测试与功能验证，到形成PCB的完整的设计研发过程。本节主要介绍PROTEUS的基本使用方法。 4 4 4 47.1.1 PROTEUS简介简介PROTEUS是一款集电路基础、模拟电子技术、数字电子技术、单片机应用技术仿真和SPICE(分析)于一身的EDA软件，由英国的LabcenterElectronicsLtd.在1989年研制成功。经过20多年的发展，现已成为当今EDA市场上最为流行、功能最强的仿真软件之一。PROTEUS在全球50多个国家得到了广泛应用，主要应用于高校教学实训和公司的实际电路设计和生产。5 5 5 5PROTEUS软件和其他一些电路设计仿真软件最大的不同在于它的功
3、能非常强大。它强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美，电路仿真功能可以和Multisim相媲美，且其独特的仿真功能是Multisim及其他任何仿真软件都不具备的,它的PCB电路制板功能可以与PROTEL相媲美。PROTEUS除了与其他EDA工具一样具有原理图设计、PCB板制作以及电路仿真功能外，其PROTEUSVSM(VirtualSystemModelling，虚拟仿真技术)还实现了混合模式下的SPICE电路仿真，可将微处理器、虚拟仪器、仿真图表、第三方编译器等结合起来，在所设计的硬件电路模型尚未搭建成功之前，即可在计算机上完成原理图设计、电路分析仿真、代码调试和实时仿真、系统测试以及功能
4、验证。6 6 6 67.1.2 PROTEUS启动启动点击桌面快捷图标“”，打开PROTEUS，其启动画面如图7.1.1所示。 7.1.3 PROTEUS编辑环境编辑环境PROTEUSISIS的工作界面是标准的Windows界面，如图7.1.2所示。它包括标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。 7 7 7 7图7.1.1 PROTEUS启动画面 8 8 8 8图7.1.2 PROTEUSISIS工作界面 9 9 9 9其中，标题栏用于显示当前设计的文件名，状态栏用于显示当前鼠标的坐标值，图形
5、编辑窗口用于原理图等的绘制，预览窗口用来显示全部的原理图。蓝框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显示的区域，其他部分如图7.1.2所示。101010107.1.4 PROTEUS编辑环境设置编辑环境设置PROTEUSISIS编辑环境设置主要指模板选择、图纸设置和格点设置。绘制电路图首先要选择模板，模板控制电路图的外观信息；然后设置图纸，如纸张的型号等；最后进行格点设置以便为元件的放置，为连线等提供方便。1.模板设置模板设置(1)选择主菜单中的TemplateSetDesignDefaults，将弹出如图7.1.3所示对话框。为了满足不同设计者的需求，可通过对话框设置纸张颜色、格点颜色、工作
6、区边框颜色等，还可以设置电路仿真时正极、负极、逻辑高电平、逻辑低电平等的颜色，设置隐藏对象的显示和编辑环境默认的字体。 11111111图7.1.3 编辑环境默认选项 12121212(2)选择主菜单中的TemplateSetGraphColours，将弹出如图7.1.4所示的对话框。通过此对话框可对图形轮廓线(GraphOutline)、底色(Background)、图形标题(GraphTitle)等颜色进行设置。(3)选择主菜单中的TemplateSetJunctionDots，将弹出如图7.1.5所示的对话框。通过此对话框可设置节点的形状，分方形(Square)、圆形(Round)和钻石
7、形(Diamond)三种。2.图纸尺寸设置图纸尺寸设置选择主菜单中的SystemSetSheetSizes，将弹出如图7.1.6所示对话框，可进行图纸的设置。系统提供标准A0A4图纸，系统默认图纸为A4。 13131313图7.1.4 编辑图形颜色 14141414图7.1.5 编辑节点的形状15151515图7.1.6 图纸尺寸设置 161616163.格点设置格点设置在设计电路原理图时，图纸上的格点有利于元件的排列和连线，其设置方法如下。(1)选择主菜单中的ViewGrid，可设置编辑环境中格点是否显示，如图7.1.7所示。 (2)选择主菜单中的ViewSnap10th(Snap50th、
8、Snap0.1in、Snap0.5in)，可设置各格点的间距。(注：in为英寸1in=2.54cm，th为毫寸1th=0.00254cm。)17171717图7.1.7 格点显示设置 181818187.1.5 PROTEUS系统环境设置系统环境设置在PROTEUSISIS主界面中，可选择主菜单中的System菜单项进行系统设置。1.系统环境设置系统环境设置 选择主菜单中的SystemSetEnvironment，将弹出如图7.1.8所示对话框，可对系统环境进行设置，包括自动保存时间、撤销重复次数等。19191919图7.1.8 系统环境设置 202020202系统仿真设置系统仿真设置选择主菜
9、单中的SystemSetAnimationOptions，将弹出如图7.1.9所示对话框，可对仿真器选项进行设置，包括仿真速度、电压电流范围及仿真的其他功能，如可设置用箭头显示电路中电流的流向，见图7.1.9所圈部分。 电路系统设计的第一步是进行原理图设计，这是电路设计的基础。只有在设计好原理图之后，才可进行电路仿真。 21212121图7.1.9 系统仿真设置 222222227.2 PROTEUSISIS电路原理图设计步骤电路原理图设计步骤使用PROTEUSISIS进行电路原理图设计的流程如图7.2.1所示。 下面以图7.2.2电容器充放电电路为例，详细介绍使用PROTEUSISIS进行电
10、路原理图设计的方法及步骤。1.选择模板选择模板打开PROTEUSISIS软件，选择主菜单中的FileNewDesign，弹出如图7.2.3所示的对话框，设计者可根据需求选择不同的模板。通常情况下，选择默认模板(DEFAULT)，并将设计的原理图保存，保存到磁盘的文件夹中，取名为example(默认的后缀名为DSN)。 23232323图7.2.1 PROTEUSISIS电路原理图的设计流程 24242424图7.2.2 电容器充放电电路25252525图7.2.3 PROTEUS原理图模板 262626262.编辑环境设置编辑环境设置PROTEUSISIS原理图编辑环境大部分可采取系统默认的设
11、置，具体设置方法可见7.1.4节，本例中选择系统默认设置。3.系统环境设置系统环境设置PROTEUSISIS系统环境的具体设置方法见7.1.5节。本例中要观察电路中电流的流向，故需设置用箭头显示电流的方向。选择主菜单中的SystemSetAnimationOptions，弹出如图7.2.4所示对话框，将图中所圈的复选框选中即可。 27272727图7.2.4 PROTEUS系统环境设置 282828284.选择元件选择元件本例中所用到的元件清单如表7.2.1所示。 用鼠标左键单击工作界面左侧预览窗口下面的“P”按钮，如图7.2.5所示，弹出如图7.2.6所示选择元件(PickDevices)对
12、话框，设计者根据需求选择不同的元件，具体方法如下。 29292929表表7.2.1 电容充放电电路的元件清单电容充放电电路的元件清单 30303030图7.2.5 PROTEUS选择元件按钮 31313131图7.2.6 PROTEUS选择元件对话框 32323232按表7.2.1所示顺序来选择元件。首先是直流电源(BATTERY)，在图7.2.6所示对话框的“Keywords”中输入直流电源(battery)，在“Category”类中选择“SimulatorPrimitives”，然后在“Sub-category”(子类)中选择“Sources”，查询列表框中只有一个元件，即是所需的电源元
13、件，双击元件名，元件即被选中到元件列表框中，如图7.2.7所示。按照电源元件的选择方法，依次将其余元件选取到列表框中，然后关闭选择元件对话框，全部元件选取后的列表框如图7.2.8所示。 33333333图7.2.7 PROTEUS元件选择示意图 34343434图7.2.8 元件选择列表框 353535355.原理图布线原理图布线(1)在布线之前，首先要将列表框中的元件放置到图形编辑窗口中，用鼠标单击列表框中某一元件，再把鼠标移动到图形编辑窗口适当位置，点击鼠标左键即可。本例中需使用1个电源、2个电阻、1个单刀双掷开关、1个电容器以及1个发光二极管共6个元件，放置后的界面如图7.2.9所示。小
14、提示：在放置元器件时，有时需要改变元件的方向，可通过图7.2.10所示的四个图标加以修改。本例中需改变单刀双掷开关(SWSPDT)、电容(C1)和发光二极管(LEDGREEN)的方向，修改后如图7.2.11所示。36363636图7.2.9 元件放置后的界面 37373737图7.2.10 元件方向调整旋钮 38383838图7.2.11 元件方向调整后界面 39393939(2)元件参数的修改。在图形编辑窗口中双击电阻R1，将弹出如图7.2.12所示对话框，可将电阻R1的阻值由10k修改为1k，R2的阻值由10k改为200(系统默认单位为)，元件参数修改后如图7.2.13所示。小提示：在图7
15、.2.13中，注意到各个元件旁都有灰色显示的，为了使原理图更加清晰，可以取消此文本的显示。选择主菜单中的TemplateSetDesignDefaults，将弹出如图7.2.14所示对话框，将图中“Showhiddentext？”复选框中的“”去掉即可，修改后的界面如图7.2.15所示。 40404040图7.2.12 元件属性对话框 41414141图7.2.13 元件参数修改后界面 42424242图7.2.14 元件文本信息设置 43434343图7.2.15 元件文本取消后界面 44444444(3)电路布线。PROTEUSISIS连线非常方便，只需用鼠标左键单击元件的一个引脚，拖动到
16、另一元件的引脚，单击鼠标左键即可。如果要删除连线，则首先用鼠标左键选中连线(连线呈红色显示)，再点击鼠标右键，点击“DeleteWire”即可删除需修改的连线，如图7.2.16所示。连线完成后示意图如图7.2.17所示。6.电气检查电气检查选择主菜单中的ToolsELECTRICALRULESCHECK，将弹出如图7.2.18所示对话框，出现电气规则检测报告单，同时生成网络报表。如果检测有错误产生，则需重新回到原理图界面加以修改，直至最后检测无错误产生。 45454545图7.2.16 删除连线方法 46464646图7.2.17 连线完成后界面 47474747图7.2.18 电气规则检测报
17、告单 484848487.电路动态仿真电路动态仿真点击PROTEUSISIS左下角的仿真按钮，如图7.2.19所示，将单刀双掷开关(SW1)拨向左边，可看见电源向电容器充电，电容器两端聚集的电荷越来越多，直到充满电，两端电压达到12V，同时可看见充电电流的方向。电容器充满后，电流就消失，如图7.2.20所示。当电容器充满电荷后，将单刀双掷开关(SW1)拨向右边，这时电路为电容器放电电路，电容器起始有12V电压，通过电阻R2和D1开始放电，所以SW1刚拨向右边时，发光二极管D1被点亮，随着时间的推移，二极管逐渐熄灭，放电示意图如图7.2.21所示。 49494949图7.2.19 仿真旋钮 50
18、505050图7.2.20 电容器充电仿真过程 51515151图7.2.21 电容器放电仿真过程 52525252改进1：在电容器充放电过程中，图7.2.20和图7.2.21可显示电流的方向，但还不知道如何显示充电电流的变化及最后电容器充满后两端的电压为多大？这时候需要加入一些虚拟仪器仪表，以便更好地分析充放电过程，在图7.2.20和图7.2.21中加入直流电压表和电流表后，可清晰地显示电流电压变化情况，如图7.2.22所示。 53535353图7.2.22 电容器充放电过程加入仪器仪表仿真过程 54545454改进2：PROTEUSISIS原理图绘制完成后，需要对原理图进行简单的描述，一般
19、都有一个标题栏和文字用来说明该电路的功能以及一个头块来说明诸如设计名、作者、版本等信息。(1)标题栏。选择绘图工具栏中的“A”图标，在对象选择器中选择“MARKER”选项,如图7.2.23所示，弹出如图7.2.24所示对话框，在对话框中可输入标题栏名称、位置、字体、高度、颜色等信息，设计好的标题栏如图7.2.25所示。55555555图7.2.23 添加标题栏 56565656图7.2.24 标题栏对话框 57575757图7.2.25 添加标题栏后电路界面 58585858(2)说明文字。选择绘图工具栏中的“”图标，在图形编辑窗口拖放出一矩形区域，选中该区域，单击鼠标左键，将弹出如图7.2.
20、26所示对话框，可设置该矩形框的属性。选择工具栏中的“”图标，在矩形框区域单击，将弹出如图7.2.27所示对话框，可输入相关的说明文字，文字的属性可通过“Style”选项设置，说明文字添加完毕后如图7.2.28所示。59595959图7.2.26 编辑矩形框属性 60606060图7.2.27 说明文字添加对话框 61616161图7.2.28 添加说明文字后原理图 62626262(3)原理图的头块设置。选择主菜单中的DesignEditDesignProperties，将弹出如图7.2.29所示对话框，可设置原理图块名、序列号、版本及作者等信息，按图7.2.29设计完成。 然后点击工具栏的
21、“”图标，在对象列表框中点击“P”按钮，在弹出的对话框Libraries中选择SYSTEM，在Objects中选择HEADER头文件即可，设置后如图7.2.30所示。 63636363图7.2.29 编辑设计属性 64646464图7.2.30 原理图头块设置 656565657.3 基于基于PROTEUS的电路仿真的电路仿真本节将应用PROTEUSISIS对本书前面的电路基础实训进行仿真，以帮助读者熟练掌握PROTEUS中的电路仿真元件、虚拟仪器和仿真图表的使用方法。7.3.1 戴维南定理实训戴维南定理实训戴维南定理：对于任意线性有源二端网络，其对外电路的作用可以用一个电动势为E和内阻为R相
22、串联的电压源等效，其中理想电压源的电动势E等于二端网络的开路电压，内阻R等于将该网络内部各理想电压源短路，各理想电流源开路后所对应无源二端网络的等效电阻。66666666戴维南定理实训电路如图7.3.1所示，电路中所用元件清单如表7.3.1所示。通过图7.3.1的仿真结果来看，流过R4电阻的电流为2mA。根据戴维南等效定理，图7.3.1所示的电路可以分别等效为图7.3.2和图7.3.3所示电路，其中测得开路电压E6V，等效内阻R=2k。最后图7.3.1所示电路等效后的电路如图7.3.4所示。可见，通过戴维南定理等效后测得电阻1 k的电流仍为2mA，从而验证了戴维南定理的正确性。 6767676
23、7表表7.3.1 戴维南定理实训元件清单戴维南定理实训元件清单 68686868图7.3.1 戴维南定理实训电路 69696969图7.3.2 测量开路电压值E 70707070图7.3.3 测量等效内阻R 71717171图7.3.4 戴维南定理等效后电路 727272727.3.2 叠加定理实训叠加定理实训叠加定理：在线性网络中，当有多个电源共同作用时，在电路中任一支路所产生的电压(或电流)等于各电源单独作用时在该支路所产生的电压(或电流)的代数和。叠加定理实训电路如图7.3.5所示，元件清单如表7.3.2所示。 73737373表表7.3.2 叠加定理实训元件清单叠加定理实训元件清单 7
24、4747474图7.3.5 叠加定理等效前电路 75757575通过对图7.3.5的仿真结果来看(注意要将电流表的单位改成mA级别)，叠加定理在等效前的三个电流值分别为I1=2.5mA，I2=1mA，I3=3.5mA，方向如图7.3.5所示。等效后的电路分别如图7.3.6和图7.3.7所示。从图7.3.6中测量的三个电流值分别为I1=4.5mA，I2=-3mA，I3=1.5mA；图7.3.7中测量的三个电流值分别为I1=-2mA，I2=4mA，I3=2mA。根据叠加定理，I1=I1+I1，I2=I2+I2，I3=I3+I3，从而验证叠加定理的正确性。76767676图7.3.6 叠加定理分电路
25、177777777图7.3.7 叠加定理分电路2 787878787.3.3 基尔霍夫定理实训基尔霍夫定理实训基尔霍夫电流定律：在电路中，对于任意节点或闭合面，流入节点或闭合面的电流，恒等于流出节点或闭合面的电流。基尔霍夫电压定律：在任意瞬间，在任意闭合回路中，沿任意环形方向(顺时针或逆时针)，回路中各段电压的代数和恒等于0。基尔霍夫电压和电流定律实训电路如图7.3.8所示，元件清单如表7.3.3所示。 79797979表表7.3.3 基尔霍夫电压电流定律实训元件清单基尔霍夫电压电流定律实训元件清单 80808080图7.3.8 基尔霍夫定理实训图81818181从仿真的结果来看，针对节点A，
26、三个电流表的读数分别为0.14mA、1.32mA和1.45mA，其代数和为0。针对左边和右边两个回路来说，其电压的代数和也恒为0，从而验证基尔霍夫电压电流定律的正确性。 828282827.3.4 RC移相电路实训移相电路实训RC串联电路，利用电容器充放电的延迟作用，常用于如低频振荡器中的阻容移相电路，电路实训如图7.3.9所示，实训元件清单如表7.3.4所示。RC移相电路原理简介：输入正弦波参数，幅值为5V，频率为1kHz，初相位为0，各元件参数如图7.3.9所示，两个电容器C1和C2的容抗均为 83838383图7.3.9 RC移相电路实训图84848484表表7.3.4 RC移相电路实训
27、元件清单移相电路实训元件清单 85858585考虑虚线左边的一阶电路，可得 电阻R1两端电压的相位比总电压的相位超前大约45，同理，电阻R2两端电压的相位比电阻R1两端电压的相位超前大约45。利用示波器观察输入端，A点和B点的电压波形、电路的连接形式如图7.3.10所示，显示的波形如图7.3.11所示，黄色显示的是输入端波形，蓝色显示的为A点波形，红色显示的是B点波形，蓝色波形相位超前输入端波形相位45，红色波形相位超前蓝色波形相位45。 86868686图7.3.10 RC移相电路与示波器连接图 87878787图7.3.11 RC移相电路各点波形图888888887.3.5 LC串联谐振电
28、路实训串联谐振电路实训LC串联谐振电路，多用于从很多频率中选出所需的频率成分，如收音机中的调台，电视机中的选择电视频道，通信中要滤除某个频率成分等。串联电路发生谐振的条件是当外加信号频率fi与电路的固有频率f0相等时，则发生谐振。串联谐振的谐振频率为：。串联谐振电路如图7.3.12所示，谐振电路实训元件清单如表7.3.5所示。89898989表表7.3.5 串联谐振电路实训元件清单串联谐振电路实训元件清单 90909090调节输入信号源正弦波参数为幅值1V，频率15kHz左右(需调节)，初相位为0，电阻、电容和电感参数如图7.3.12所示，根据谐振公式，可计算出电路的固有频率为 所以需调节输入
29、信号源正弦波的频率在15.8kHz左右，反复调试，直至观察到电阻上的电压波形和输入正弦波电压波形同相时，此时正弦波信号的频率即为电路的谐振频率。利用示波器观察输入正弦波波形和电阻上的电压波形，电路与示波器的连接如图7.3.13所示，显示的波形如图7.3.14所示，从仿真结果来看，该串联谐振电路的谐振频率约为15.4kHz。91919191图7.3.12 串联谐振电路实训图 92929292图7.3.13 串联谐振电路与示波器连接图93939393图7.3.14 串联谐振时波形显示图 949494947.3.6 RC微分、积分及耦合电路实训微分、积分及耦合电路实训RC微分、积分及耦合电路都是RC
30、串联电路，电路形式虽然相同，但电路参数不同，参数的差异由“量变到质变”形成性质截然不同的电路。该电路如图7.3.15所示，电路实训所用元件清单如表7.3.6所示。 该电路输入激励源为方波，频率为5kHz，幅值为5V，如图7.3.15所示。下面简单介绍RC微分、积分及耦合电路的工作原理。 95959595表表7.3.6 RC微分、积分及耦合电路实训元件清单微分、积分及耦合电路实训元件清单 96969696图7.3.15 RC微分、积分及耦合电路实训图 979797971.RC耦合电路原理耦合电路原理(1)条件：RXC，从电阻上输出，此时uoui；(2)电路参数选择：R、C参数选为R=1k，C=1
31、F；(3)估算：由于f=5kHz，则电容容抗；而R=1k，满足R XC的要求。989898982.RC微分电路原理微分电路原理(1)条件：RCtP(tP为输入方波周期的一半)，从电阻上输出，此时 ；(2)电路参数选择：R、C参数选为R=1k，C=1000pF；(3)估算：由于f=5kHz，则方波脉宽为 ；而RC=1103100010-12=1s，满足RCtP(tP为输入方波周期的一半)，从电容上输出，此时 ；(2)电路参数选择：R、C参数选为R=1k，C=1F；(3)估算：由于f=5kHz，则方波脉宽；而RC=1103110-6=1000s，满足RCtP的要求。电路与示波器的连接如图7.3.1
32、6所示，图7.3.17所示的是耦合电路波形，图7.3.18所示的是微分电路波形，图7.3.19所示的是积分电路波形。 100100100100图7.3.16 RC微分、积分及耦合电路与示波器连接图 101101101101图7.3.17 耦合电路波形输入输出图 102102102102图7.3.18 微分电路波形输入输出图 103103103103图7.3.19 积分电路波形输入输出图 1041041041047.3.7 继电器电路实训继电器电路实训继电器在自动控制、电力拖动等设备中是必不可少的器件，继电器的基本原理是通电线圈产生电磁拉力，将常开触点闭合而常闭触点断开。继电器有交流继电器和直流
33、继电器之分，交流继电器一般称为交流接触器，其电压等级有36V、220V、380V等，直流继电器的电压等级有3V、5V、9V、12V、24V等。5V直流继电器如图7.3.20所示，当线圈通过的电流足够大时，继电器的触点将动作，即常闭触点变常开，常开触点变常闭。105105105105图7.3.20 直流继电器 106106106106继电器电路实训电路如图7.3.21所示，电路实训所用元件清单如表7.3.7所示。 该继电器电路实训图是模拟路灯控制电路，图7.3.21中继电器左边电路模拟白天和黑夜状况，当开关S1断开，则电路无电流，相当于黑夜；当开关S1闭合，电路有电流流过，相当于白天，发光二极管D1相当于路灯。当S1断开时，流过继电器线圈的电流为0，继电器触点无动作，则路灯点亮(黑夜)；当S1闭合时，流过继电器线圈的电流足够大时，继电器触点开始动作，常闭触点变常开触点，则右边电路断开，路灯熄灭(相当于白天)。107107107107表表7.3.7 继电器电路实训元件清单继电器电路实训元件清单 108108108108图7.3.21 继电器电路实训图
