Proteus在模擬電子設(shè)計(jì)中的仿真應(yīng)用研究

胡 輝

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 商丘 476100)

引言

Proteus 是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化過程中常用的一款仿真工具，可以實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到電子產(chǎn)品仿真的整個(gè)過程.其在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛，受到廣大電子設(shè)計(jì)技術(shù)人員的青睞[2].前人在進(jìn)行Proteus電子設(shè)計(jì)的應(yīng)用時(shí)，多是對(duì)單片機(jī)電路進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)及仿真分析，而在進(jìn)行模擬電子設(shè)計(jì)時(shí)，不能很熟練有效地進(jìn)行仿真分析[1].本文通過對(duì)Proteus 7.8中的元件和儀器儀表的使用進(jìn)行研究和剖析，將模擬電子電路中的整流濾波電路、射極跟隨器、交流反相放大電路、OCL電路等四種電路進(jìn)行仿真，根據(jù)四種電路的功能特點(diǎn)，利用儀器儀表在仿真電路中檢測(cè)出數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)電路進(jìn)行分析，并闡述采用頻率分析、交流掃描分析和傅立葉分析的方法.

1 全波整流與濾波電路仿真分析

1.1 繪制整流濾波電路

整流濾波電路主要由220 V交流輸入電路及整流電路、濾波電路、負(fù)載電路等組成.打開ISIS 7 Professional，單擊按鈕P挑選并添加元件(可用關(guān)鍵詞搜索法查找元件)，如圖1所示.

按圖2所示連接電路，并按圖3所示將正弦交流信號(hào)源V1設(shè)置為220 V，50 Hz；電容器C1設(shè)置為10 μF(雙擊元件即可彈出元件編輯對(duì)話框).其它不需設(shè)置，用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù).

圖1 調(diào)用元件圖2 整流濾波電路仿真圖

在Proteus主界面左邊模式選擇工具欄中單擊虛擬儀表模式圖標(biāo)，從器件工具列表窗口中選擇示波器(OSCILLOSCOPE)、交流電壓表(AC VOLTMETER)、直流電壓表(DC VOLTMETER)、直流電流表(DC AMMETER)、交流電流表(AC AMMETER)，分別將它們連接到電路對(duì)應(yīng)位置，M1-M5 為表的編號(hào)，也可用默認(rèn)方式不要編號(hào).在連接好的導(dǎo)線上直接放置元件即可將元件串入導(dǎo)線，也可以先畫好導(dǎo)線，再串入元件.

圖3 參數(shù)設(shè)置

1.2 電路波形測(cè)試

單擊運(yùn)行(Play)按鈕或按快捷鍵F12 運(yùn)行電路，在出現(xiàn)的示波器面板中，用鼠標(biāo)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)通道圓盤狀的輸入衰減旋鈕和滾輪狀的位置(Position)旋鈕，接通或斷開S1，即可呈現(xiàn)圖4和圖5所示波形圖.通斷開關(guān)的方法除了用鼠標(biāo)直接單擊外，也可以把光標(biāo)放在開關(guān)上當(dāng)其變?yōu)槭中秃?，直接按鍵盤上的空格鍵或回車鍵.如果不小心關(guān)閉了示波器，可以在仿真運(yùn)行狀態(tài)下右擊示波器圖標(biāo)，在右鍵菜單中選擇最后一項(xiàng)Digital oscilloscope即可復(fù)原.單擊停止按鈕或者連續(xù)兩次按鍵盤上的 Esc 鍵即可停止程序運(yùn)行.

運(yùn)行電路，接通或斷開開關(guān)S1，可觀察電壓表或電流表的示數(shù)及它們示數(shù)間的比例關(guān)系.雙擊電壓表或電流表，在彈出的屬性對(duì)話框中，可以更改它的顯示單位.如圖6所示，電流表有Amps(安)、Milliamps(毫安)、Microamps(微安)三個(gè)級(jí)別，其與電壓表量程級(jí)別類似.斷開 D1 或 D2 的連接，變?yōu)榘氩ㄕ?，可觀察在 S1 接通或斷開時(shí)的波形及變化，并同時(shí)觀察各表的示數(shù).也可改變 C1 容量或 R1 的阻值，重做上述觀察.

圖4 開關(guān)S1斷開時(shí)示波器波形圖 圖5 開關(guān)S1接通時(shí)示波器波形圖 圖6 更改電流表顯示單位

2 射極跟隨器電路仿真分析

2.1 電路圖繪制

按圖7所示連接電路.連接時(shí)注意：在放置或移動(dòng)元件時(shí)，最好使相互連接的兩個(gè)引腳端頭相距兩個(gè)柵格以上(兩個(gè)柵格為最小間距)，這樣可使元件布局緊湊，同時(shí)又可以在連線中間引出導(dǎo)線連接其它元件，如圖7中的RS與SW1的連接等.在左邊模式選擇工具欄中單擊虛擬儀表模式圖標(biāo)，在器件工具列表窗口中選擇信號(hào)發(fā)生器(SIGNAL GENERATOR)、示波器(OSCILLOSCOPE)和交流電壓表(AC VOLTMETER)，并連入電路.

圖7 射極跟隨器仿真電路

2.2 射極跟隨器仿真測(cè)試

射極跟隨器仿真測(cè)試開關(guān)的控制方法有兩種：一是鼠標(biāo)單擊；二是把光標(biāo)放在開關(guān)上敲擊空格鍵、回車鍵或翻頁鍵.電位器的調(diào)節(jié)方法有三種：一是光標(biāo)放電位器上按住鼠標(biāo)左鍵上下移動(dòng)(電位器如果水平放置則左右移動(dòng))；二是光標(biāo)移到電位器旁箭頭處，出現(xiàn)“+”或“-”符號(hào)后單擊；三是光標(biāo)放電位器上按翻頁鍵Page Up或Page Down.

電路連好后，使SW1連接C1，SW2連接空位即斷開RL的連接，通電仿真后會(huì)出現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器控制面板，按面板上旋鈕所指示位置將信號(hào)的頻率(Frequence)調(diào)為1 kHz不變，幅度(Amplitude)調(diào)為10 V左右.信號(hào)發(fā)生器初次使用時(shí)，默認(rèn)的輸出就是正弦波，不需要調(diào)節(jié).信號(hào)發(fā)生器控制面板如圖8所示.

圖8 信號(hào)發(fā)生器控制面板

反復(fù)調(diào)節(jié)RV1及信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)幅度，直到在示波器上得到一個(gè)最大不失真波形，觀察此時(shí)電壓表的示數(shù).如果波形是雙向失真，說明信號(hào)幅度太大，應(yīng)將信號(hào)發(fā)生器輸出幅度調(diào)?。蝗绻霈F(xiàn)飽和失真，應(yīng)將RV1阻值調(diào)大；如果出現(xiàn)截止失真，應(yīng)將RV1阻值調(diào)小.失真波形如圖9所示.

圖9 失真波形

如圖10所示，選中示波器面板中的光標(biāo)(Cursors)按鈕，分別單擊波谷和波峰，可獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算可得輸出波形和輸入波形的峰-峰值，將兩個(gè)數(shù)值相比即是電壓放大倍數(shù).要取消測(cè)量數(shù)據(jù)，只需在示波器屏幕上右擊并選擇Clear All Cursors即可.

輸入電阻的測(cè)量(替代法)，接上負(fù)載電阻RL，并保證輸出波形不失真.當(dāng)開關(guān)SW1連接C1時(shí)，記下電壓表的讀數(shù)；再將開關(guān)SW1轉(zhuǎn)接到RV2，并調(diào)節(jié)RV2，使電壓表的讀數(shù)仍為原來值，則此時(shí)RV2的阻值即為輸入電阻Ri的值.

輸出電阻的測(cè)量(換算法)，在輸入端加一固定信號(hào)電壓，并保證輸出波形不失真.分別測(cè)量RL在斷開和接通時(shí)的輸出電壓VO和VL，代入公式RO=(VO/VL-1)RL可計(jì)算出輸出電阻RO.

圖10 波峰和波谷的測(cè)量

3 交流反相放大電路仿真分析

3.1 電路圖繪制

按圖11所示創(chuàng)建仿真實(shí)驗(yàn)電路.參照前兩個(gè)任務(wù)，自己挑選和添加所使用的元件.in為交流信號(hào)源，在信號(hào)發(fā)生器模式(Generator Mode)中為SINE，其Amplitude(幅度)設(shè)置為1 V，F(xiàn)requence(頻率)設(shè)置為1 kHz，如圖12所示.in也可用默認(rèn)名稱C1(-)，取消Hide properties前的對(duì)勾，可顯示信號(hào)源的屬性.out是電壓探針，也可用默認(rèn)名稱C2(-)[3].

電源取自終端接口模式(Terminals Mode)中的POWER，在String窗口中分別輸入+15 V和-15 V即可.

圖11 交流反相放大電路

其它參數(shù)按圖12中數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置.單擊左側(cè)工具欄中的Graph Mode(圖表模式)圖標(biāo)，然后在圖表模式列表中選擇FREQUENCY選項(xiàng)，在圖紙上就可以拖畫出一個(gè)頻率分析圖框.先后單擊選中out和in，然后再將其拖拉到分析圖框中的左側(cè)位置作為縱坐標(biāo)及參考標(biāo)準(zhǔn)，最后再將out 拖拉到分析圖框中的右側(cè)位置做相位分析縱坐標(biāo).按下空格鍵進(jìn)行模擬，即可得到模擬分析結(jié)果，如圖13所示.

圖12 正弦信號(hào)源屬性設(shè)置圖13 頻率分析結(jié)果

雙擊頻率分析圖框的綠色標(biāo)題欄，可以將分析圖窗口單獨(dú)顯示或最大化，以便進(jìn)行各種細(xì)節(jié)的分析，如測(cè)量轉(zhuǎn)折頻率等，如圖14所示.

圖14 頻率分析結(jié)果測(cè)量

注意，當(dāng)關(guān)閉頻率分析仿真結(jié)果窗口后，由于軟件與系統(tǒng)的兼容問題，原來的電路圖可能會(huì)蕩然無存.此時(shí)，需執(zhí)行一次撤銷Undo Changes操作(快捷鍵 Ctrl+Z)再滾動(dòng)一下鼠標(biāo)滾輪，對(duì)電路放大或縮小一下即可恢復(fù)正常.

仿照上述步驟，同樣可進(jìn)行交流掃描分析，只是要在圖表模式列表中選擇AC SWEEP 選項(xiàng)，然后雙擊拖拉出的矩形框，在出現(xiàn)的編輯對(duì)話框中設(shè)置好開始值(Start value)、結(jié)束值(Stop value)和步數(shù)(No. steps)其他用默認(rèn)值，如圖15所示.

關(guān)閉交流掃描分析設(shè)置對(duì)話框，雙擊電路中的C1或其他要分析的元件，將其容量或阻值等改為…*X，注意X要大寫，以保證其與交流掃描分析設(shè)置對(duì)話框中一致，如圖16所示.

圖15 交流掃描分析設(shè)置圖16 元件參數(shù)設(shè)置

按空格鍵即可得到模擬分析結(jié)果，如圖17所示.

圖17 交流掃描分析模擬結(jié)果

4 OCL功率放大器電路仿真分析

4.1 電路圖繪制

按照?qǐng)D18所示創(chuàng)建OCL功率放大器原理電路.信號(hào)源為5 V、1 kHz的正弦信號(hào)，Q1(E)和Q2(E)分別為電流探針和電壓探針直接放在導(dǎo)線上的結(jié)果.

電流探針在放置時(shí)可按小鍵盤上的“+” 或“-”鍵，選擇合適的電流方向，或放置好后右鍵單擊探針，在右鍵菜單中選擇相應(yīng)操作，使探針電流方向合適，否則極易出錯(cuò).

運(yùn)行仿真時(shí)，調(diào)節(jié)RV1和RV2，即可觀察兩個(gè)探針的示值變化和示波器波形的變化.電位器調(diào)節(jié)可按下述方法進(jìn)行：先將RV1調(diào)到最小，再使RV2從最小到最大；然后再將RV1調(diào)到最大，之后再調(diào)節(jié)RV2.

圖18 OCL 功率放大器原理電路

在圖表模式列表中選擇FOURIER(傅立葉)選項(xiàng)，在圖紙上拖畫出一個(gè)傅立葉分析圖框.將電壓探針Q1(E)拖拉到分析圖框中的左側(cè)，按空格鍵可得到傅立葉分析結(jié)果，由此結(jié)果可檢測(cè)電路的諧波失真情況.

調(diào)節(jié)電位器RV1 和RV2，并在調(diào)節(jié)后按空格鍵進(jìn)行傅立葉分析.圖19所示是RV1和RV2調(diào)節(jié)到最小時(shí)的分析結(jié)果.

注意，傅立葉分析圖的橫坐標(biāo)默認(rèn)值是100 kHz，如要修改，可雙擊分析圖，在彈出的傅立葉分析圖編輯對(duì)話框中，修改Max Frequency窗口中的數(shù)值即可.圖19中的橫坐標(biāo)數(shù)值是20 kHz.

圖19 傅立葉分解結(jié)果

設(shè)置正弦信號(hào)為 5V，在示波器控制面板中，將Horizontal處的Source按鈕撥到A，使示波器處于B/A模式，重復(fù)進(jìn)行電位器的調(diào)節(jié)，在示波器中可看到不同的波形.典型的三種波形如圖20所示.

圖20 示波器的B/A模式顯示的三種波形

5 結(jié)語

通過Proteus在模擬電子設(shè)計(jì)課程中的幾種典型仿真應(yīng)用，在了解電路的原理及設(shè)計(jì)思路后，可以充分認(rèn)識(shí)到Proteus在仿真模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)帶來的時(shí)效性；有效節(jié)約了電子設(shè)計(jì)的周期，用正確的方法去分析模擬電子電路，從而提高電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的效率[4].