Proteus圖表分析法在模擬電路中的應(yīng)用

南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院 莊 舜

本文結(jié)合二極管的伏安特性、三極管的輸出特性，重點介紹了Proteus中兩種直流信號圖表仿真工具DC SWEEP、TRANSFER的使用方法。并通過模擬電路中常用的測溫電路、共射極放大電路的測量、仿真，闡述了圖表工具在應(yīng)用電路中的具體分析方法，說明了圖表分析法對模擬電路分析的優(yōu)勢。

0 引言

虛擬仿真技術(shù)是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)（安建強.基于虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2015,12:179-182;劉亞豐,蘇莉,吳元喜,等.虛擬仿真實驗教案設(shè)計及實踐[J].實驗室研究與探索,2017,36(3):185-188），可表現(xiàn)在借助計算機環(huán)境，利用專用軟件對現(xiàn)實世界進行虛擬仿真，在電子領(lǐng)域體現(xiàn)電路虛擬仿真的典型軟件有Labview、Multisim、Simulink和Proteus等多種，其中Proteus是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，具有強大的模擬電路/數(shù)字電路設(shè)計與仿真能力，且有較好的易用性（侯剛,王潔,林馳,等.“模擬與數(shù)字電路”Proteus虛擬實驗教學(xué)設(shè)計[J].實驗室科學(xué),2016,19(2):142-147）。

圖表分析法是一種利用圖表、曲線等，描述信號參數(shù)之間關(guān)系的一種分析工具，可直觀地觀察系統(tǒng)效果，通過分析其控制規(guī)律，可為最優(yōu)化決策提供依據(jù)。

1 Proteus圖表工具

2 直流掃描分析圖表DC SWEEP的應(yīng)用

DC SWEEP工具主要用于觀察電路參數(shù)變化時，對電路工作狀態(tài)的影響，可用于直流參數(shù)特性的測量和研究。

2.1 二極管伏安特性的掃描分析

二極管的伏安特性是描述其端電壓u與流過的電流i的關(guān)系，Proteus下設(shè)計的測量電路如圖1所示，其中：

元器件D：為Proteus中DIODE模型庫、型號名IN4148的二極管；

直流信號源u：給D提供直流電壓，其參數(shù)VALUE設(shè)置為變量名X(DC SWEEP根據(jù)此變量參數(shù)而進行仿真)；

探針i：測量流過D的電流。

圖1 IN4148伏安特性測量電路

放置直流掃描工具DC SWEEP，雙擊可打開其屬性窗口，根據(jù)需要設(shè)置Sweep variable、Start value、Stop value等參數(shù)。關(guān)閉窗口，按空格鍵，則可得到相應(yīng)的圖表數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 二極管直流掃描分析圖表

由圖2所示，可以測得IN4148導(dǎo)通電壓Uon、以及電源電壓U＞Uon后，其導(dǎo)通電流i與電壓u的線性關(guān)系等特性，若Start value參數(shù)設(shè)成-80V，也可從所得圖表中觀察二極管從擊穿、截止到導(dǎo)通整個波形。

2.2 DC SWEEP在測溫電路中的應(yīng)用

除了對電路中電壓、電流信號源的參數(shù)掃描測量外，還能借用DC SWEEP工具，分析非電信號的圖表參數(shù)關(guān)系。

NTC熱敏電阻作為溫度傳感器，其阻值隨溫度變化而變化，可利用圖3電路實現(xiàn)溫度測量，圖中：

電源電壓U：設(shè)為5V工作電源；

溫度傳感器RT1：選取NTC模型庫、型號名IN4148NTSA0XH103的負溫度系數(shù)的溫度傳感器（熱敏電阻），將其參數(shù)Temperature in設(shè)置為變量名X；

電阻R1：為分壓電阻；

探針u、i：分別測量RT1的電壓、電流；

放置DC SWEEP圖表，將探針u(或i)拖入圖表中（左縱軸或右縱軸）。熱敏電阻的阻值曲線可通過u/i方法計算實現(xiàn)，操作方法是：

右擊圖表、選擇Add Traces菜單，打開Trace窗口，根據(jù)需要分別設(shè)置圖4所示參數(shù)。

圖3 NTC溫度測量電路

圖4 計算R曲線Trace參數(shù)窗口

仿真結(jié)果如圖5所示，橫軸為溫度值，左縱軸為電阻R值、右縱軸為電壓u值，上、下兩曲線分別對應(yīng)不同溫度的R、u曲線。

圖5 R、u與溫度曲線

3 傳遞分析圖表TRANSFER的應(yīng)用

TRANSFER工具是另一種用于分析直流輸入-輸出信號關(guān)系的圖表分析工具。

3.1 三極管的輸出特性的傳遞分析

三極管的輸入、輸出特性曲線描述了各電極之間的電壓、電流的關(guān)系（童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2015;弗洛伊德,布奇拉模擬電子技術(shù)基礎(chǔ):系統(tǒng)方法[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015），根據(jù)此參數(shù)可對其性能、參數(shù)和電路進行分析、評估。

輸出特性分析測量電路如圖6所示。其中：

三極管T：選取BIPOLAR模型庫、型號名2N2222 NPN三極管；

信號源uCE：給T集電極C提供直流電壓信號；

探針iB：對基極B回路進行電流測量。

探針iC：對集電極C回路進行電流測量。

圖6 輸出特性測量電路

放置TRANSFER工具，打開其屬性窗口，設(shè)置其屬性。其中：Source1為橫軸變量，選擇uBE；Source2設(shè)置為uCE。其它參數(shù)可視要求進行修改。仿真圖表如圖7所示。

圖7 輸出特性圖表

由圖輸出特性所示，當(dāng)iB為一常量時，iC與uCE之間關(guān)系。根據(jù)其不同iB的輸出特性曲線，可分析三極管的三種工作區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。

3.2 TRANSFER在放大電路中的應(yīng)用

信號放大電路是模電中最基本、最典型的基本電路之一（嚴(yán)剛峰.一種小信號放大電路設(shè)計[J].成都大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,4:378-380），利用2N2222構(gòu)成的共射極放大電路如圖8所示。

圖8 共射極放大電路

利用TRANSFER工具，分析不同工作電壓Ucc下，輸出信號Vo與輸入信號Vi的波形、參數(shù)關(guān)系。圖9仿真圖表為在工作電壓分別是7V、5V和3V條件下，輸入電壓Vi范圍為0.4V～2V時的Vo輸出波形。

圖9 共射極放大電路傳遞分析圖表

由仿真圖表數(shù)據(jù)所示，在5V條件下，輸入電壓Vi在0.6V～1.44V，輸入-輸出呈線性關(guān)系，即三極管工作在其放大區(qū)（低于0.6V則為截止區(qū)，高于1.44V則為飽和區(qū)）。同時，也可表明，若Vi作為交流信號輸入，其中點電壓為1.02V、幅值為0.42V。

4 結(jié)語

“模電”課程它具有概念抽象、推導(dǎo)復(fù)雜、工程性與實踐性強的特點（瞿敏,陳光紅.Proteus仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技,2010,6:9898-9899）。Proteus中DC SWEEP、TRANSFER圖表分析工具，可以非常方便地仿真、描述電路中各測量點直流信號之間的關(guān)系，借助圖表波形觀察其控制效果，利用圖表數(shù)據(jù)評估性能參數(shù)，從而減輕對電路原理圖知識的理解要求，或幫助掌握相關(guān)基本概念理解。

此外Proteus中還提供了交流信號的圖表仿真、數(shù)字信號分析等工具，可為深入研究、掌握模數(shù)電知識，創(chuàng)造良好的實踐條件（唐美玲.Proteus虛擬實驗室建設(shè)及其實驗項目的開發(fā)研究[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用,2013.17:113+115;韋平安.Proteus軟件在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù),2017.5:12-14+16）。