Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用研究*

朱嶸濤，徐愛鈞

(1. 長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020；2. 長江大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 荊州 434023)

Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用研究*

朱嶸濤1，徐愛鈞2

(1. 長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020；2. 長江大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 荊州 434023)

針對目前Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中應(yīng)用研究單一的現(xiàn)狀和問題，提出應(yīng)強(qiáng)調(diào)Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中的相互融合與促進(jìn)，提升學(xué)生對所學(xué)相關(guān)課程知識的理解和相互貫通，不再局限與某一門課程。在結(jié)合理論分析的基礎(chǔ)上，首先用Proteus對模擬電子技術(shù)中直流穩(wěn)壓電路進(jìn)行仿真，然后使用Proteus對數(shù)字電子技術(shù)中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行硬件仿真，最后將直流穩(wěn)壓電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用到單片機(jī)系統(tǒng)中，使用Proteus軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真測試。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果表明，這種方法能更好地幫助學(xué)生理解和認(rèn)識所學(xué)電類專業(yè)課程，在很大程度上提高了學(xué)生對電類專業(yè)課程的興趣和積極性。

仿真；直流穩(wěn)壓電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機(jī)

0 引言

Proteus是全球著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖繪制、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。在教學(xué)領(lǐng)域，Proteus是一個巨大的教學(xué)資源，可以應(yīng)用于：(1)模擬電路與數(shù)字電路的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)仿真；(2)單片機(jī)與嵌入系統(tǒng)軟件的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)仿真；(3) 微控制器系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)仿真；(4)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與畢業(yè)設(shè)計(jì)仿真。主流的電類專業(yè)有4個，分別是通信工程、電子信息工程、自動化和測控技術(shù)與儀器專業(yè)。電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)微機(jī)原理與應(yīng)用這4門課是電類4個專業(yè)的通用課程，且這4門課程都可以用Proteus進(jìn)行仿真教學(xué)，因此本項(xiàng)目的研究具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值和推廣價值。

近5年來與Proteus相關(guān)的參考文獻(xiàn)[1-4]只對Proteus軟件在某一門電類專業(yè)課程上的應(yīng)用做了研究，并沒有對Proteus軟件在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用進(jìn)行一個系統(tǒng)化研究。因此本文有助于解決電類課程相對獨(dú)立的現(xiàn)象，使之成為一個相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的有機(jī)整體，而不再是某一門具體課程，使學(xué)生能從一個更高的層面來學(xué)習(xí)電類專業(yè)的相關(guān)課程，也能讓學(xué)生理解為什么要學(xué)好這些課程和學(xué)好這些課程的用途。

1 直流穩(wěn)壓電源仿真

直流穩(wěn)壓電源是模擬電子技術(shù)課程中很重要的一個部分，很多數(shù)字芯片，如模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)正常工作時都需要穩(wěn)定的±5 V的直流電壓供電。

直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器將220 V、50 Hz的交流電壓變?yōu)樗璧碾妷盒盘?，接著通過整流電路將交流電變成脈動的直流電壓，然后通過濾波電路濾除較大的紋波電壓，最后通過7805和7905穩(wěn)壓芯片所組成的穩(wěn)壓電路獲得所需的±5V穩(wěn)定電壓[5]。

直流穩(wěn)壓電路的仿真測試原理圖如圖1所示，經(jīng)測試：當(dāng)輸入220 V、50 Hz的交流電壓時，輸出端獲得的電壓為+5.01 V和-5.02 V，與理論值5 V的誤差分別為0.2%和0.4%，能較好地滿足常用數(shù)字芯片的供電要求。

圖1 直流穩(wěn)壓電源仿真電路原理圖

圖4 ADC0808硬件仿真測試原理圖

2 ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換電路仿真

2.1 ADC0808簡介

圖2 ADC0808內(nèi)結(jié)構(gòu)圖

ADC0809是數(shù)字電路中經(jīng)典的A/D轉(zhuǎn)換器，具有8路模擬量輸入通道，有轉(zhuǎn)換起停控制，模擬輸入電壓范疇為0～+5 V，轉(zhuǎn)換時間為100 μs，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADC0808的引腳功能描述如下：IN0～I(xiàn)N7為模擬采集通道；ADDA、ADDB和ADDC用于選擇8路模擬采樣通道的一路；ALE為輸入信號用于鎖存采樣通道，高電平有效；START為輸入信號用于啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，高電平有效；EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平表示模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，低電平表示模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；OE為輸入信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，若OE為高電平則允許轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從D0～D7輸出；CLK為時鐘脈沖輸入端，要求時鐘頻率不高于640 kHz；VREF+、VREF-為基準(zhǔn)電壓輸入端，典型值分別為+5 V和0 V；VCC接+5 V電源，GND接地[6]。

2.2 ADC0808時序圖和操作步驟

ADC0808的工作流程圖如圖3所示，故對ADC0808的操作分為以下4個步驟：

(1)輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器譯碼從8路模擬通道中選通一路模擬量送到比較器；

(2)送START一高脈沖，START的上升沿使逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號為低電平；

(3)當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器，并使EOC信號回到高電平，通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束；

(4)當(dāng)CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令，使OE為高電平，則從輸出端D0～D1讀出數(shù)據(jù)。

2.3 ADC0808的硬件測試

ADC0808的硬件仿真測試原理圖如圖4所示，ADDA、ADDB和ADDC均接地表示選中模擬采樣通道0，具體測試步驟如下：(1)首先松開ALE按鍵，使ALE引腳為高電平鎖存模擬通道0，接著松開START按鍵，然后閉合ALE鍵和START按鍵，使START產(chǎn)生一個高脈沖來啟動A/D轉(zhuǎn)換；(2)當(dāng)看到EOC引腳由低電平變成高電平時，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，但此時并沒有對應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，因?yàn)镺E還沒有變成高電平；(3)松開OE按鍵，使OE引腳為高電平，會看到與通道0電壓值相對應(yīng)的發(fā)光二極管都會被點(diǎn)亮。

圖3 ADC0808工作時序圖

理論上A/D采樣的電壓值與輸出引腳的之間的關(guān)系為：模擬采樣電壓值=5*A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果/255。

首先將滑動變阻器調(diào)至電壓表示數(shù)為0 V的位置，然后按照硬件測試的步驟，會得到與0 V電壓值對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，記錄在表1中，重復(fù)上述的步驟，分別測出電壓表示數(shù)為1.25 V、2.5 V、3.75 V和5 V對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，記錄在表1中。仿真測試的結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，說明硬件測試的方法和步驟是正確的。

表1 模擬采樣電壓值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)和ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換三個部分組成。直流穩(wěn)壓電源是模擬電子技術(shù)中課程中的內(nèi)容，單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)原理與應(yīng)用課程中的內(nèi)容，ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是數(shù)字電子技術(shù)課程中的內(nèi)容。從這一個小的方面就可以看出，電類專業(yè)的很多課程是相鋪相成、互相促進(jìn)、有機(jī)協(xié)調(diào)的一個整體，只是不同課程的側(cè)重點(diǎn)不同而已。ADC0808硬件測試就是為了單片機(jī)編程服務(wù)的，只要理解按鍵的兩種狀態(tài)就可以了，如按鍵按下表示低電平，按鍵松開表示高電平。單片機(jī)的I/O引腳正好也只有兩種狀態(tài)，即高電平和低電平，那么就可以用單片機(jī)的I/O引腳來替換按鍵，通過編程就可使對應(yīng)的引腳輸出高電平或低電平。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的仿真電路原理圖如圖5所示，直流穩(wěn)壓電源為單片機(jī)和ADC0808的正常工作提供穩(wěn)定的直流穩(wěn)定電壓。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真電路原理圖

數(shù)據(jù)采集主程序如下[7]：

void main()

{uint ad;

while(1)

{

ADDC=0;ADDB=0;ADDA=0;

//選擇通道0

ALE=1;START=1;

//將引腳置高電平

Delay20us();

//延時用于鎖存采樣通道

ALE=0;START=0;

//將引腳置高電平

while(!EOC);

//EOC引腳為高電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束

OE=1;

//將OE引腳置高電平

ad=P1;

P0=ad;

OE=0;

//將OE置低電平,禁止數(shù)據(jù)輸出

}

}

經(jīng)仿真測試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真的測試結(jié)果與表1的結(jié)果相同，說明先對數(shù)字芯片進(jìn)行硬件測試有利于單片機(jī)程序的編寫，也加深了學(xué)生對數(shù)字芯片的認(rèn)識。當(dāng)自己不會寫單片機(jī)程序或者寫的程序沒有出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果時，可以先從數(shù)字芯片硬件測試入手查找問題的所在。

4 結(jié)論

在電類專業(yè)的很多課程的教學(xué)中，教師們會經(jīng)常使用Proteus仿真軟件，這樣有利于加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，但更重要的一點(diǎn)在于要強(qiáng)調(diào)所學(xué)的知識在電類專業(yè)的其他課程中會用到，并且還可以使用Proteus仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真測試，這樣學(xué)生心理就會明白Proteus仿真軟件不僅能幫助自己理解現(xiàn)在所學(xué)的課程，還能幫助自己學(xué)習(xí)電類專業(yè)的其他課程。

實(shí)踐證明：本項(xiàng)目的研究不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課程的教學(xué)質(zhì)量，還讓學(xué)生對電類專業(yè)的課程有了一個更高層次的認(rèn)識，同時也解決了電類專業(yè)課程相對獨(dú)立的現(xiàn)象，使之成為一個有機(jī)高效的整體。

[1] 王海燕，楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(5):88-91.

[2] 侯向鋒，周兆豐.Proteus在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,32(4):114-118.

[3] 王爾申，龐濤，李鵬，等.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理,2013,30(3):78-81.

[4] 胡中玉，岳強(qiáng)，任杰，等.基于Proteus仿真的電工電子課程教學(xué)創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理,2016,33(4):128-130.

[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第六版)[M].北京:高等教育出版社,2013.

[6] 畢滿清.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)(第三版)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[7] 徐愛鈞，徐陽.單片機(jī)原理與應(yīng)用——基于Proteus虛擬仿真技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

The application research of Proteus simulation software in the electrical specialized courses

Zhu Rongtao1，Xu Aijun2

(1. College of Technology & Enginerring, Yangtze University, Jingzhou 434020,China;2.Electronics & Information School, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

Against to the singularity actuality and problem of Proteus simulation application research in the electrical specialized courses, we have offered proposals to emphasize the effect of merge and advance between the Proteus simulation software and electrical specialized courses, promote student’s understanding of taught courses and mutual penetration, and Proteus simulation software is not confined to one certain course.On the basis of thoery analysis, firstly, we simulate the direct current regulator in analog electronic technology by using Proteus. Secondly, we simulate the analog to digital conversion circuit in the digital electronic technology by using Proteus.Finally,direct current regulator and analog to digital conversion circuit are applied to the single chip microcomputer system and then the system will be simulated by using Proteus.The practice teaching results show that the teaching method can help student to understand electricity specialized courses and improve the students interest and motivation of electricity specialized courses.

simulation;direct current regulator;analog to digital conversion;single chip microcomputer

長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教學(xué)研究基金項(xiàng)目(2016JY07)

TP368.1;TN79;TN710-4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.028

朱嶸濤，徐愛鈞.Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(8)：88-91.

2016-10-28)

朱嶸濤(1982-)，通信作者，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：單片機(jī)與智能儀器儀表。E-mail:181804457@qq.com。

徐愛鈞(1956-)，男，本科，教授，主要研究方向：模糊控制理論與應(yīng)用。

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