基于Proteus的電子設計競賽題目仿真設計

楊金泉

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063000)

0 引言

歷屆全國大學生電子設計競賽題目一直是高校教師進行教學研究的內容，也是學生畢業(yè)設計的熱門選題。競賽題目涉及電氣、自動控制、電子信息、通信工程等領域，基礎廣泛，專業(yè)性強。筆者所在學校2020年電氣工程及其自動化專業(yè)本科畢業(yè)設計題目中的電流信號檢測裝置、簡易電路特性測試儀分別來自2018年和2019年全國大學生電子設計競賽題目。完成這些題目，在實物制作、調試、測試、實驗中需要使用信號發(fā)生器、示波器、掃頻儀、交直流電壓電流表等儀器設備，以及應用單片機、模擬電子、信號處理等技術。由于2020年受新冠肺炎疫情的影響，學生在家中上網(wǎng)課，不具備實驗測試條件，因此仿真測試成為畢業(yè)設計中必不可少的環(huán)節(jié)。

Proteus是可以對各種模擬電路、數(shù)字電路、單片機、分立器件等元器件進行硬件仿真的專業(yè)軟件，在國內使用廣泛。Proteus仿真軟件具有各種信號發(fā)生器、示波器、計數(shù)器/頻率計、交直流電壓/電流表等豐富的虛擬儀器儀表[1]，為電子競賽題目的仿真提供了可能性。但是Proteus能否對電子競賽題目進行仿真，仿真測試占整體測試比例的多少，仿真時會出現(xiàn)什么困難，針對這些問題指導教師要先行對題目進行深入研究，以解決學生仿真設計時可能出現(xiàn)的問題，從而保障設計的效果。下面以競賽題目電流信號檢測裝置和簡易電路特性測試儀的仿真為例進行設計說明。

1 電流信號檢測裝置仿真

1.1 設計任務及要求

設計任務：由任意波信號發(fā)生器產生的信號經功率放大電路驅動后，通過導線連接10 Ω電阻負載，形成一電流環(huán)路；設計一個采用非接觸式傳感的電流信號檢測裝置，檢測環(huán)路電流信號的幅度及頻率，并將信號的參數(shù)顯示出來。

設計要求：①設計一個功率放大電路，當輸入正弦信號頻率范圍為50 Hz～1 kHz時，要求流過10 Ω負載電阻的電流峰峰值不小于1 A，要求電流信號無失真。②用漆包線繞制線圈制作電流傳感器，以獲取電流信號；設計電流信號檢測分析電路，測量并顯示電流信號的峰峰值及頻率。③要求被測正弦電流峰峰值范圍為10 mA～1 A，電流測量精度優(yōu)于5%，頻率測量精度優(yōu)于1%。

1.2 設計方案

1.2.1 功率放大電路仿真

功率放大電路可以采用分立元件設計，也可以采用音頻功率放大器芯片，Proteus 8.6庫里有TDA2040，經查閱資料可知，其輸出功率可以達到22 W，功率驅動電流可以達到1 A的峰峰值，能夠滿足題目仿真的要求。

1.2.2 電流互感器仿真

Proteus庫里沒有電流互感器，但有霍爾線性電流互感器，可以替代電流互感器，可以將霍爾線性電流互感器串聯(lián)在功率驅動電路中。同樣在Proteus元件庫Analog ICs庫里能夠找到ACS712ELCTR-05B-T，其感應電流最大為5 A。ACS712感應輸出的直流電壓與被測電流成正比，其輸出電壓范圍為0～5 V，無電流通過時，輸出電壓為2.5 V。

1.2.3 頻率測量與電流測量電路仿真

使用LM393電壓比較器，將ACS712感應輸出的直流電壓與參考電壓2.5 V作為電壓比較器的輸入，比較器的輸出為TTL方波信號，用于測量電流信號的頻率。電流測量可采用峰峰值測量，也可以采用有效值測量，ACS712感應輸出的直流電壓經過電解電容隔離直流后連接至真有效值轉換芯片AD736，其輸出直流電壓用于電流測量，其輸出電壓正比于被測電流。至此可放置TDA2030，ACS712ELCTR-05B-T，AD736等元件，以及信號發(fā)生器、示波器、電壓表、電流表等虛擬儀器儀表來驗證芯片是否正常工作、硬件電路是否合理以及參數(shù)是否合適。

經過仿真運行，運行結果能夠完成設計要求①的指標。同時，電流信號已經被轉換為直流電壓信號及方波信號，為實現(xiàn)設計要求②的測量指標并顯示電流信號的峰峰值及頻率打下了硬件基礎。Proteus支持的單片機和A/D轉換器非常豐富，通過單片機及A/D轉換器的選型即可完成設計要求②的任務。例如，可以選擇經典AT89C51單片機和12位A/D轉換器TLC2543，也可以選擇具有片內A/D轉換器的單片機。顯示電路的選擇也有多種，如數(shù)碼管、字符液晶、圖形點陣液晶等。設計要求③中要求被測正弦電流峰峰值范圍為10 mA～1 A，根據(jù)正弦波峰峰值和有效值的關系，將其轉換為電流有效值3.536～353.6 mA，用直流電壓表實測ACS712感應輸出電壓為0.7～70 mV，可以直接通過A/D轉換器進行轉換。為了提高A/D轉換器的測量分辨率及測量小信號的精度，也可以采用高精度運算放大器構成毫伏放大器，同相比例放大后進入A/D轉換器。

1.3 軟件設計

根據(jù)上述思路搭建的完整仿真電路如圖1所示。

圖1 電流信號檢測裝置仿真電路圖

基于Keil2集成開發(fā)環(huán)境，采用C51編程，需要編寫主函數(shù)以及定時器中斷、A/D轉換、字符液晶顯示、電流數(shù)據(jù)處理、頻率數(shù)據(jù)處理等函數(shù)。主函數(shù)主要流程為字符液晶初始化、定時器初始化及電流、頻率信號顯示等。電流信號以mA為單位，可以同時顯示峰峰值及有效值，頻率顯示單位為Hz。

2 簡易電路特性測試儀仿真

2.1 設計任務與要求

設計并制作一個簡易電路特性測試儀，用來測量特定放大器電路的特性，進而判斷該放大器由于元器件變化而引起故障或變化的原因。該測試儀僅有一個輸入端口和一個輸出端口，它與特定放大器電路的連接如圖2所示。

圖2 電路特性測試儀與特定放大器電路連接圖

本設計用于測試一種共射放大電路，電路特性測試儀輸出1 kHz正弦波信號，基本要求為：自動測量并顯示放大器的輸入電阻、輸出電阻、增益，分析電路的頻幅特性并顯示上限頻率值。發(fā)揮部分為：能自動判斷放大器電路元器件變化而引起故障或變化的原因。設計的內容包括：任意開路或短路R1-R4中的一個電阻；任意開路C1-C3中的一個電容；任意增大C1-C3中的一個電容的容量，使其達到原來值的兩倍。另外，要求每項判斷時間不超過2 s。

2.2 設計方案

2.2.1 正弦波信號的產生

設計要求產生1 kHz正弦波、可調頻率正弦波，實現(xiàn)方案為激勵源模式。

產生1 kHz正弦波：利用Proteus自帶激勵源，選定正弦波，設置其頻率為1 kHz，幅值為mV級，用數(shù)字示波器測量放大器輸出，不失真。

產生可調頻率正弦波：頻幅特性測量采用點頻方式，采用多個正弦波激勵源，分別設定其頻率及幅值，同樣用數(shù)字示波器測量放大器的輸出。

2.2.2 正弦波信號測量

正弦波信號測量采用三片真有效值轉換芯片AD736來完成，其輸出直流電壓為被測輸入正弦波信號的電壓有效值，分別送到A/D轉換器的輸入端，用于輸入輸出電阻測量、增益測量、頻幅特性分析。

2.2.3 參數(shù)測量

輸入電阻和輸出電阻的測量均采用伏安法，放大器增益是放大器輸出功率與輸入功率比值的對數(shù)，用于表示功率放大的程度，亦指電壓或電流的放大倍數(shù)，放大器增益的單位為dB。放大器輸出與輸入的比值為放大倍數(shù)，當改用“dB”作單位時，放大倍數(shù)就稱之為增益[2-3]，G=20lg(Vo/Vi)。但此設計的增益指的是電壓放大倍數(shù)，計算比較容易。

2.2.4 頻幅特性分析及上限頻率計算

設置從50 Hz～200 kHz的正弦波激勵信號，比如設置8個頻段。由譯碼電路、驅動電路和繼電器組成切換控制電路，用于改變信號輸入頻率。通過切換控制電路及單片機軟件采集上述不同頻率下的放大器輸出電壓。根據(jù)設定的輸入頻率及采集到的輸出電壓對應到圖形點陣液晶屏或TFT彩屏坐標上，再由軟件實現(xiàn)相鄰點坐標對應連接。

信號頻率上升到一定程度，放大倍數(shù)數(shù)值也將減小，使放大倍數(shù)數(shù)值等于0.707倍|Am|的頻率稱為上限截止頻率，放大電路超過截止頻率肯定就會產生放大失真。

2.2.5 顯示電路的實現(xiàn)

顯示電路可以利用Proteus 8.6提供的TFT彩色液晶屏ILI9341來完成。ILI9341是一種TFT彩色液晶屏的驅動芯片，可以驅動320*240點陣TFT彩色液晶屏，可以采用SPI，I2C，8位及16位接口。國內許多廠家生產的從2.2寸至3.5寸320*240點陣TFT彩色液晶屏都采用此芯片。

2.2.6 發(fā)揮部分

將正常狀態(tài)下，將故障或元件參數(shù)變化時的參數(shù)值及測量誤差的范圍存儲到單片機存儲器里，在程序運行時根據(jù)采集到的各種參數(shù)值，進行智能判斷、識別和顯示。

2.2.7 軟件設計

根據(jù)選擇的單片機編寫主函數(shù)及A/D轉換、液晶顯示、輸入電阻、輸出電阻、增益計算、頻幅顯示界面、智能識別、按鍵處理等函數(shù)，軟件工作量比較大。由于TFT彩色液晶顯示比較成熟，其生產廠家提供C51單片機的顯示驅動程序，可以借鑒使用，因此整體程序的編寫可以實現(xiàn)。

3 結論

通過使用Proteus 8.6軟件對列入大學生畢業(yè)設計的電子設計競賽題目電流信號檢測裝置、簡易電路特性測試儀進行了仿真設計。從實際設計效果來看，上述競賽題目完全可以用Proteus 8.6軟件進行仿真，仿真的效果可以達到競賽題目要求的90%，達到了設計任務要求。同時，此仿真對電子設計競賽題目的深入研究與制作具有一定的參考及指導意義。