Proteus 在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

洪月好

(上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 200090)

傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)流程是先設(shè)計(jì)電路圖、購(gòu)買元器件，然后制板、調(diào)試，最后進(jìn)行測(cè)試.這個(gè)過(guò)程一般需要反復(fù)多次進(jìn)行，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求.若采用EDA技術(shù)，則在原理圖設(shè)計(jì)階段就可以進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)，還可以通過(guò)改變?cè)骷?shù)使整個(gè)電路的性能最優(yōu)化，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，提高了設(shè)計(jì)效果和質(zhì)量［1］.

Proteus軟件是由英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的，是目前世界上最先進(jìn)最完善的電路設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)之一［2，3］.Proteus 仿真軟件具有國(guó)際通用的虛擬儀器及電子元器件庫(kù)，可以仿真模擬電路、數(shù)字電路，以及數(shù)字、模擬混合電路［4］.

硬件系統(tǒng)在Proteus中的設(shè)計(jì)流程都是一樣的［5］:首先根據(jù)構(gòu)思好的硬件系統(tǒng)電路圖從元器件庫(kù)選取相應(yīng)的元器件放到圖紙適當(dāng)位置，并對(duì)元器件的名稱、標(biāo)注進(jìn)行設(shè)定，再根據(jù)元器件之間的走線等聯(lián)系對(duì)元器件在工作平面上的位置進(jìn)行調(diào)整和修改，使得硬件系統(tǒng)電路原理圖更加美觀、易懂;然后根據(jù)實(shí)際電路的需要，利用Proteus的各種工具進(jìn)行布線，用導(dǎo)線把元器件連接起來(lái)，畫(huà)電路的操作手法基本與其他EDA軟件類似;最后直接通過(guò)仿真按鈕“DEBUG-EXECUTE”進(jìn)行仿真.本文通過(guò)兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.

1 搶答器設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)一個(gè)4輸入搶答器，要求具有以下功能:當(dāng)有搶答者首先按下?lián)尨痖_(kāi)關(guān)時(shí)，相應(yīng)顯示燈亮并伴有聲響(間斷)，同時(shí)顯示其組號(hào)和當(dāng)前時(shí)間，搶答器不再接收其他組的搶答信號(hào);電路具有時(shí)間控制功能，在限定時(shí)間9 s后無(wú)人搶答時(shí)，該題作廢，用聲響提示(間斷);無(wú)人搶答時(shí)，可以顯示順計(jì)時(shí)的時(shí)間.其電路原理如圖1所示.

圖1 搶答器原理示意

(1)CP模塊 即時(shí)鐘模塊，是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，要求頻率適當(dāng)大，可以及時(shí)反應(yīng)搶答者的按下動(dòng)作，其電路如圖2所示.

(2)搶答模塊 由4D觸發(fā)器74LS175和其他門電路構(gòu)成，Q0～Q3控制led燈顯示，P1～P4控制顯示模塊顯示組號(hào)，SHOW信號(hào)控制顯示模塊，使74LS48可以接受輸入，完成沒(méi)人搶答或復(fù)位時(shí)無(wú)顯示的功能.HOLD信號(hào)用于控制聲音模塊報(bào)警和停止計(jì)時(shí).HOLD和TIMEOUT端控制CP的輸入，以達(dá)到有人搶答后其他人無(wú)法搶答和計(jì)數(shù)到時(shí)不許再搶答的功能.模塊功能見(jiàn)圖3.

圖2 CP模塊

圖3 搶答模塊

(3)計(jì)時(shí)模塊 采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，見(jiàn)圖4.TIMEOUT信號(hào)控制 1 HzCP信號(hào)的輸入，即計(jì)數(shù)到9時(shí)不會(huì)倒回0再計(jì)時(shí)，也控制計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)搶答模塊不許再搶答，同時(shí)聲音模塊報(bào)警.HOLD信號(hào)停止計(jì)時(shí)，RESET信號(hào)復(fù)位.

(4)顯示模塊 由八進(jìn)制優(yōu)先編碼器74LS148、七段共陰數(shù)碼驅(qū)動(dòng)器74LS48和共陰數(shù)碼管構(gòu)成，由搶答模塊的SHOW信號(hào)控制數(shù)碼管在沒(méi)人搶答或復(fù)位時(shí)無(wú)顯示.其電路如圖5所示.

(5)聲音模塊 由74LS20和74LS00構(gòu)成的門電路在接收搶答后報(bào)警信號(hào)HOLD和計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)報(bào)警信號(hào)TIMEOUT，只要接受到兩者中的一個(gè)就打開(kāi)1 HzCP信號(hào)進(jìn)入的控制端，使蜂鳴器間斷發(fā)聲.其電路如圖6所示.

圖4 計(jì)時(shí)模塊

以上各模塊電路都實(shí)現(xiàn)后，根據(jù)模塊之間的關(guān)系連接成系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)電路的仿真.首先打開(kāi)開(kāi)關(guān)SW，即表示搶答開(kāi)始，此時(shí)計(jì)時(shí)模塊開(kāi)始計(jì)數(shù);然后打開(kāi)1～4開(kāi)關(guān)中的一個(gè)(如打開(kāi)開(kāi)關(guān)2)，即表示在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有選手搶答;此時(shí)顯示模塊會(huì)顯示選手編號(hào)(如2)，選手對(duì)應(yīng)的燈亮，且蜂鳴器響;如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)未有選手搶答，則蜂鳴器響，表示此題作廢.

仿真結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性和可實(shí)現(xiàn)性，且該設(shè)計(jì)能夠有效指導(dǎo)實(shí)際電路的操作.Proteus的器件庫(kù)非常齊全，使得修改電路和元器件參數(shù)非常容易.但Proteus調(diào)用元器件不是很方便，如調(diào)用一個(gè)最基本的電阻需要先到Libraby中搜索，搜到后才能調(diào)用，并不像其他EDA軟件可以直接在便捷欄中取用.

圖5 顯示模塊

圖6 聲音模塊

2 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備中的重要組成部分，用于將交流電壓變成穩(wěn)定的直流電壓.一般小功率直流電源由電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路等組成.整流電路將交流電壓變換成單向脈動(dòng)的直流電壓;濾波電路用來(lái)濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓;穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定.對(duì)直流穩(wěn)壓電路的主要要求是:輸入電壓變化和負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓應(yīng)保持穩(wěn)定，即直流電源的電壓調(diào)整率及輸出電阻越小越好.

實(shí)現(xiàn)一個(gè)220 V交流電壓輸入，輸出+5 V，+12 V，－12 V 3路直流電壓的直流穩(wěn)壓電源.電路由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路4部分組成.電源變壓器是降壓變壓器，將電網(wǎng)220 V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路.整流電路采用二極管單向全波整流電路，利用單向?qū)щ娫?，?0 Hz的正弦交流電壓變換成脈動(dòng)直流電.濾波電路采用電容濾波電路，利用電容兩端的電壓不能突變的特點(diǎn)，將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分濾除，從而得到比較平滑的直流電壓，實(shí)現(xiàn)輸出波形基本平滑.穩(wěn)壓電路采用集成三端穩(wěn)壓器電路，其功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化.

由于輸入的是220 V交流電壓，實(shí)際操作中存在一定的危險(xiǎn)性，所以有必要事先通過(guò)軟件進(jìn)行仿真，這樣做可以避免器件的不必要損毀.設(shè)計(jì)步驟與搶答器基本相同.首先按照原理圖在Proteus中進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，仿真電路如圖7所示;然后根據(jù)仿真后的電路圖，在板上焊接電路;最后進(jìn)行調(diào)試，完成設(shè)計(jì).

圖7 直流電源仿真示意

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇集成三端穩(wěn)壓器，其中7805輸出+5 V直流電壓、7812輸出+12 V直流電壓、7905輸出－5 V直流電壓，穩(wěn)壓內(nèi)部含有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路，具有安全可靠、性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn).設(shè)計(jì)中由于濾波電路的電解電容數(shù)值較大，而大容量電解電容有一定的繞制分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端并入瓷介質(zhì)小容量電容來(lái)抵消電感效應(yīng)，從而抑制高頻干擾.

在使用Proteus軟件畫(huà)電路圖的過(guò)程中，由于7905與7805的引腳不同，為了使圖較為簡(jiǎn)潔，可以根據(jù)需要調(diào)整芯片的引腳，并直接在電路圖上替換原來(lái)的芯片，而不需要?jiǎng)h除，體現(xiàn)了該軟件的方便實(shí)用性.從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，采用單相整流后由電容進(jìn)行分壓的電路(圖7中下半部電路)會(huì)存在地電位的偏移，導(dǎo)致正負(fù)電源不對(duì)稱，如圖7所示結(jié)果為 +5.00 V 和 －5.02 V.

3 結(jié)語(yǔ)

利用Proteus進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)與仿真，使常規(guī)實(shí)驗(yàn)室資源利用更加高效，大大降低了電子設(shè)計(jì)中的耗材損壞和浪費(fèi)現(xiàn)象，節(jié)約了材料上的投入經(jīng)費(fèi)，同時(shí)提高了電子設(shè)計(jì)的成功率.而且通過(guò)仿真分析，使學(xué)生對(duì)電路的原理有了更好的理解和掌握，對(duì)電子設(shè)計(jì)更感興趣.

另外，Proteus最大的特點(diǎn)在于可以對(duì)微處理器及其外圍器件一起進(jìn)行仿真分析，直接在基于原理圖的虛擬原型上編程以實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試等.在基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)中也可以利用Proteus進(jìn)行仿真分析.

［1］吳小花，吳先求.Proteus電路設(shè)計(jì)與仿真在教學(xué)中的實(shí)踐［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19(2):33-36.

［2］孫浩.PR0TEUS軟件在設(shè)計(jì)電子電路中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，2009(8):74-75.

［3］陳駿蓮.PROTEUS7在電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008(3):65-68.

［4］王靖.Proteus仿真在模擬電子技術(shù)課程中的應(yīng)用［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，7(19):5 333-5 334.

［5］秦純鷹.Proteus仿真在數(shù)字電路項(xiàng)目教學(xué)中的應(yīng)用［J］.科技信息，2009(18):514-515.