Proteus仿真在電子電路設(shè)計案例教學(xué)中的應(yīng)用

吳學(xué)軍 張靜

【摘要】數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計是電子電路教學(xué)中的典型案例。本文通過運用Proteus軟件實現(xiàn)對數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與仿真過程進行詳細分析與闡述，表明了利用Proteus軟件進行電子電路設(shè)計與仿真的便捷，以及在教學(xué)中體現(xiàn)出來的功能和作用——有助于教師的教和學(xué)生的學(xué)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控;直流穩(wěn)壓電源;Proteus;設(shè)計與仿真;教學(xué)案例

1 引言

Proteus軟件是英國LabCenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個部分構(gòu)成，其中Proteus ISIS軟件包含了革命性的VSM（虛擬仿真技術(shù)），用戶可以對模擬電路、數(shù)字電路、模擬數(shù)字混合電路，以及基于微控制器的系統(tǒng)連同所有的周圍電子器件一起仿真[1-2]。在電子類專業(yè)核心課程的教學(xué)中，除了引導(dǎo)學(xué)生掌握好基礎(chǔ)理論知識外，教師更需要加強對學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)，才能促進學(xué)生電路設(shè)計能力以及實踐創(chuàng)新能力提高，也才能滿足社會對所培養(yǎng)人才的專業(yè)能力需求。而將Proteus仿真軟件技術(shù)應(yīng)用于電子類專業(yè)核心課程的教學(xué)活動中，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)等課程的教學(xué)，不僅能夠促進教師形象生動地完成教學(xué)任務(wù)，還可以提高學(xué)生的實踐動手能力，如開展創(chuàng)新性設(shè)計實驗、畢業(yè)設(shè)計、電子設(shè)計競賽[2]。采用Proteus進行虛擬仿真設(shè)計實驗可以根據(jù)需要隨時對原理電路圖進行修改，并立即獲得仿真結(jié)果。一邊設(shè)計一邊實驗，調(diào)試時隨時可以修改電路，要比用萬能板焊接元件搭建硬件平臺更為方便，避免了傳統(tǒng)設(shè)計中元器件的浪費，節(jié)約了時間和經(jīng)費，提高了設(shè)計的效率和質(zhì)量[3]。本文探討的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和仿真，涉及電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機技術(shù)、EDA技術(shù)等多方面知識，是電子電路設(shè)計與仿真教學(xué)的典型案例。

2 電路的硬件設(shè)計

2.1 設(shè)計方案分析

數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計是一個具有綜合性的設(shè)計項目，要求具有一定的電壓輸出范圍，輸出電壓能步進可調(diào)，能實時數(shù)字顯示輸出電壓。

根據(jù)任務(wù)要求，首先該電路主體是一個電源，屬于模擬電路設(shè)計，其次需要實時顯示輸出電壓，需要譯碼顯示電路，屬于數(shù)字電路知識，還有數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，整個轉(zhuǎn)換過程需要相應(yīng)的時序控制，需要微控制器有序控制電壓的轉(zhuǎn)換、輸出、顯示。因此設(shè)計方案很多，本文給出一種簡單實用的方案，在此方案中主要由以下幾個部分組成（如圖1）：

控制器部分：為了能有序控制電源的步進輸出及顯示，本設(shè)計選用學(xué)生熟悉又比較常用的8051系列單片機AT89C52。單片機的作用除了有效控制電壓的數(shù)控輸出及顯示外，還可進行功能擴展。

電壓輸出部分：本設(shè)計對電源的輸出電壓電流沒有太高的要求，當(dāng)前已有集成三端穩(wěn)壓器一般能滿足要求，而且這類芯片內(nèi)部都有過流和過熱的保護電路。例如型號為LM317集成三端穩(wěn)壓器，其額定電流可達1.5A，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為1.2～37V，內(nèi)部有過熱和過流保護電路，價格也不貴，所以采用這種芯片為主體來組成所要求的系統(tǒng)是比較合理的。

電壓調(diào)節(jié)部分：為了能實現(xiàn)電源輸出步進變化，結(jié)合集成三端穩(wěn)壓器的特點，選擇模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換電路，將單片機與三端穩(wěn)壓器聯(lián)接，實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換?？刂茊纹瑱C輸出的數(shù)字信號即可改變?nèi)朔€(wěn)壓器輸出電壓，實現(xiàn)電壓的數(shù)控調(diào)節(jié)。

電壓顯示部分：該部分選用常用的數(shù)字電路中的譯碼顯示電路，為了節(jié)約單片機的IO端口，顯示方式采用動態(tài)顯示。

圖1 整體電路設(shè)計方案原理圖

2.2 各單元電路硬件設(shè)計

根據(jù)上面的設(shè)計思路，為了能快速方便的實現(xiàn)該設(shè)計方案，采用常用的一種仿真設(shè)計軟件Proteus完成該電路的設(shè)計與仿真。Proteus軟件包含了豐富的元器件庫，能夠很方便地調(diào)用設(shè)計方案中需要的各種元器件連接成電路，并進行仿真測試。

2.2.1 單片機控制電路

單片機是數(shù)控電源的核心，它通過軟件的運行來控制整個電路的工作，從而完成設(shè)定的功能。本設(shè)計中控制電路選用AT89C52單片機，它是由美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位CMOS單片機，片內(nèi)含8K字節(jié)的FLASH或PEROM和256字節(jié)的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容[4]。AT89C52接收來自按鍵的信息，并對按鍵輸入的信息進行處理，從而控制輸出電壓的變化，并將變化的結(jié)果輸出到顯示電路上。

2.2.2 電壓輸出電路

該電路主要由集成三端穩(wěn)壓器LM317作為核心器件穩(wěn)定輸出電壓，該芯片內(nèi)部有過流和過熱保護電路，電容C1、C3濾除交流雜波，二極管D1為負載電容的存儲電荷提供一條放電通路[4]。LM317的穩(wěn)壓輸出電路如下圖2所示。

圖2 LM317穩(wěn)壓輸出電路

圖2中輸出電壓滿足下列關(guān)系，

由于調(diào)整端的電流IADJ小于100uA，大多數(shù)情況應(yīng)用時可以忽略，因此輸出電壓近似為 ，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2可以很方便地改變輸出電壓。

2.2.3 電壓調(diào)節(jié)電路

從上面的LM317輸出電壓公式得知只要改變可調(diào)電阻R2的大小可以很方便地改變輸出電壓的大小，如果把R2設(shè)計成一個線性電阻網(wǎng)絡(luò)，通過模擬開關(guān)進行切換，就可以實現(xiàn)數(shù)控輸出電壓的要求[5]。線性電阻調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，電路中選用8個電阻值依次倍增的精密電阻，模擬開關(guān)選擇常見的繼電器，通過按鍵輸入控制單片機P1口輸出的數(shù)字量控制繼電器的閉合與斷開，實現(xiàn)一種類似于數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，來改變接入LM317調(diào)整端電阻的大小，從而改變輸出電壓大小。

圖3 線性電阻調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)

2.2.4 電壓顯示電路

譯碼顯示電路選用4位數(shù)碼管的動態(tài)顯示方式（如圖4所示）。將單片機的P2.0和P2.1口控制數(shù)碼管的段選和位選的選通，P0口實現(xiàn)對數(shù)碼管段選和位選的數(shù)據(jù)傳送。P0口既要輸出位選數(shù)據(jù)還要輸出段選數(shù)據(jù)，因此采用分時傳送方式，分別用兩個鎖存器74HC573保存對應(yīng)的位選數(shù)據(jù)和段選數(shù)據(jù);兩個鎖存器的工作分別通過單片機的P2.0和P2.1口來控制。

圖4 譯碼顯示電路

2.2.5 聲光指示電路

為了能指示輸出電壓的最大值、最小值，分別添加紅、綠LED指示燈;為了能指示按鍵的增減，添加蜂鳴器，按鍵每按下一次，就發(fā)出報警聲一次。

3 電路的軟件設(shè)計

直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)是以單片機為核心控制電壓的調(diào)節(jié)與顯示，因此需要編寫相應(yīng)軟件程序控制單片機有序工作。

根據(jù)以上電源系統(tǒng)的硬件特點和實現(xiàn)功能，軟件程序的結(jié)構(gòu)可分為主程序和若干子程序[6]。主程序主要完成：系統(tǒng)初始化、數(shù)碼管顯示、按鍵是否按下，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)功能的子程序中去。主程序流程圖如圖5所示。子程序包括：系統(tǒng)初始化子程序、顯示數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)碼管顯示子程序、按鍵中斷子程序等。

圖5 主程序流程圖

4 電路的整體設(shè)計與仿真分析

單片機系統(tǒng)的仿真是Proteus軟件的一大特色。首先在Proteus中將上面硬件設(shè)計的各單元電路連接成一個完整的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源仿真電路（如圖6所示）;然后創(chuàng)建源代碼程序文件，并編輯該電源系統(tǒng)的程序源代碼;接著將源代碼編譯生成為目標代碼，將目標代碼添加到圖6中的單片機元件的屬性中，相當(dāng)于在實際電路中對單片機下載目標程序;最后進行電路的調(diào)試仿真[7]。

圖6 整體設(shè)計仿真電路圖

圖6所示電路的仿真結(jié)果如下：當(dāng)電路上電工作后，由于電阻網(wǎng)絡(luò)中沒有電阻接入LM317的調(diào)整端，數(shù)碼管上顯示出電壓為1.25V。當(dāng)電壓增加按鍵按下時，單片機的外部中斷0產(chǎn)生中斷，蜂鳴器報警，電壓計數(shù)值增加1，接入的電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值增加一個單位，相應(yīng)的輸出電壓增加0.1V;保存數(shù)碼管結(jié)果的計數(shù)器值加1，P2.0端口選通譯碼顯示電路的位選鎖存器，送入相應(yīng)的位選數(shù)據(jù);P2.1端口選通譯碼顯示電路的段選鎖存器，送入段選數(shù)據(jù);數(shù)碼管上顯示結(jié)果值增加0.1。當(dāng)電壓增大到15V時，紅燈亮，顯示電壓值不變化，輸出電壓值也不再增加;當(dāng)電壓減小到1.25V時，綠燈亮，顯示電壓值不變，輸出電壓也不再減小。

在仿真電路中增加虛擬測試儀器，如圖6中在穩(wěn)壓輸出端Vout添加直流電壓表或者電壓探針，可以在仿真中實時觀測輸出電壓的變化數(shù)據(jù)[3]。

電路仿真輸出的理想結(jié)果是：電壓輸出大小從1.25V到15V變化，變化步進單位為0.1V;但實際上仿真結(jié)果是：數(shù)碼管上顯示結(jié)果與LM317輸出端接的電壓探針測量的電壓值有一點誤差。仿真測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真測試數(shù)據(jù)對比表

顯示值 測量值 誤差 顯示值 測量值 誤差 顯示值 測量值 誤差

1.35 1.356 -0.006 5.55 5.527 0.023 11.55 11.475 0.075

1.55 1.554 -0.004 5.95 5.924 0.026 11.95 11.871 0.079

1.95 1.951 -0.001 6.55 6.520 0.030 12.55 12.465 0.085

2.35 2.349 0.001 6.95 6.916 0.034 12.95 12.861 0.089

2.55 2.548 0.002 7.55 7.511 0.039 13.35 13.257 0.093

2.95 2.946 0.004 7.95 7.908 0.042 13.55 13.455 0.095

3.35 3.343 0.007 8.55 8.503 0.047 13.95 13.850 0.100

3.55 3.541 0.009 8.95 8.900 0.050 14.35 14.247 0.103

3.95 3.939 0.011 9.55 9.494 0.056 14.55 14.444 0.106

4.35 4.335 0.015 9.95 9.891 0.059 14.75 14.642 0.108

4.55 4.535 0.015 10.55 10.485 0.065 14.85 14.741 0.109

4.95 4.932 0.018 10.95 10.881 0.069 14.95 14.840 0.110

從仿真結(jié)果上看，隨著電壓的增加，數(shù)碼管輸出的理想結(jié)果與電壓探針輸出的結(jié)果誤差將逐漸增加，最大相對誤差為0.11V，即數(shù)碼管上顯示電壓值為14.95V時，電壓探針實時測量電壓值為14.840V。仿真結(jié)果說明該電路在精度要求不是很高的場合足以適合應(yīng)用。

分析誤差的原因：（1）仿真軟件中的電路元件畢竟是模擬元件，不是真實電路，即使真實電路也會有一定的誤差;（2）顯示結(jié)果是直接將控制繼電器的數(shù)字信號通過單片機軟件顯示出來，而電壓探針測量的是LM317輸出端的電壓值，兩種的顯示位數(shù)、精度不同。當(dāng)然實際輸出端的結(jié)果還取決于連接的電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值的合理選取。通過仿真不但可以觀察輸出結(jié)果，還可以在仿真軟件中很容易修改電路并分析結(jié)果。

5 小結(jié)

本文利用Proteus軟件實現(xiàn)了一種數(shù)控穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計與仿真，無論設(shè)計過程還是仿真測試結(jié)果都達到了滿意的效果。該電路的設(shè)計與仿真作為電子類專業(yè)的綜合課程設(shè)計典型教學(xué)案例，在教學(xué)過程中應(yīng)用Proteus仿真軟件對電路的設(shè)計方案及結(jié)果進行實時的仿真測試與分析，一方面仿真設(shè)計操作簡單，搭建電路、測試結(jié)果方便，修改設(shè)計快捷;另一方面在教學(xué)中增加了學(xué)生電路設(shè)計上的感性認識，便于對電路設(shè)計理論的理解，提高了學(xué)生的興趣?？傊?，利用Proteus仿真軟件能較好地完成設(shè)計任務(wù)，將之應(yīng)用到相關(guān)課程教學(xué)中是一種新的教

學(xué)方法，有助于教師的教學(xué)和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

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基金項目：湖北省教育廳教研項目（項目編號2012362）;湖北文理學(xué)院教研項目（項目編號JY201136）