基于PROTEUS的仿真课程设计.doc

宁波理工学院 课程设计（论文）题 目 基于PROTEUS的仿真 姓 名 周 阳 学 号 3070431089 专业班级 07通信工程3班 指导教师 杨 慧 梅 分 院 信息工程与工程分院 完成日期 2010年12月15日 摘 要随着电子技术的高速发展，当今社会对模拟电子技术的要求也越来越高，模拟电子技术在生产实践中的应用也越来越广泛。模拟电子线路是电子专业的技术基础课，课时少、内容多的矛盾很明显，难度较大，有必要开发模拟电子电路仿真案例用于教学。目前，Protues通用电子电路仿真软件在电子电路的分析和设计中已得到了广泛的应用。本文设计实现了一些模拟电子电路的仿真实例，主要包括矩形波仿真电路、对称三相电路电路、不对称三相电路、有源RC电路和周期性时间函数的谐波分析，并与理论分析计算结果进行比较，可以看出仿真结果与理论分析结果一致关键词：数字无线通信；GMSK；EPP并口；CPLD；VC+ 目 录摘 要I第1章概述41.1 Protues的简介.41.2Protues仿真软件与其它仿真软件比较51.3Protues的优势6第2章电路的设计与分析82.1矩形波的傅立叶级数展开分析82.1.1傅立叶级数的基本概念82.1.2矩形波仿真电路92.1.3矩形波仿真的分析102.2三相电路的特性分析112.2.1三相电路简介112.2.2对称三相电路实例仿真及原理解析112.2.3不对称三相电路实例仿真及原理解析12 2.3 有源RC电路的特性分析2.3.1有源RC滤波电路基本概念13 2.3.2 有源RC滤波电路实例仿真及原理解析.132.4无源RC滤波电路的特性分析142.4.1RC电路的基本概念.14 2.4.2无源RC滤波电路实例分析.15 第3章 反向放大比例电路的设计. .16 第4章结束语19参考文献20第1章 概 述11 Proteus简介 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器.1.2 Proteus仿真软件与其它仿真软件比较现在国内所用仿真软件也有很多种，下面介绍一下主要的几种。Protel是个庞大的EDA软件，有完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。Matlab中配备了电力系统Z具包(PowerS ystemB lockset)，这使得Matlab可以用于电力电子仿真。Power System Blockset的仿真是基于Matlab的Simulink图形环境，使用起来十分方便。Matlab的强大数字计算功能，使得Power Syste的控制功能非常强大，尤其是利用其它相关的工具包，电路可以实现极为细致的控制而不需要花费很大的精力。Matlab的另一个优点是运行速度较快;数据的兼容性非常好，便于数据的后续处理与分析，在控制特性的研究分析中，应用十分方便。但由于其元器件的理想化，仿真波形与实验电路的测试结果误差较大。Proteus软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同在于它的功能不是单一的。它的强大的元件库和任何其他电路设计软件相媲美：它的电路仿真功能和Multisim相媲美，切独特的单片机防震功能是Multisim及其他任何仿真软件都不具备的；它的PCB电路制版功能可以和Protel相媲美。他它的功能不但强大，而且每种功能都不逊于其他同类软件，是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件。 1.3 Proteus的优势采用Proteus仿真软件进行虚拟单片机实验，具有比较明显的优势，如涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、学生可自行实验、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。当然其存在的缺点也是有的。 (1)内容全面 内容全面包括其能实验的内容包括软件部分的汇编、C51等语言的调试过程，也包括硬件接口电路中的大部分类型。对同一类功能的接口电路，可以采用不同的硬件来搭建完成，因此采用Protues仿真软件进行实验教学，克服了用单片机实验教学板教学中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。 (2)硬件投入少，经济优势明显 对于传统的采用单片机实验教学板的教学实验，由于硬件电路的固定，也就将单片机的CPU和具体的接口电路固定了下来。在单片机的实际教学中，如果要涉及到51系列，也要涉及到PIC16系列，那么为了教学必然要投入两种单片机的实验教学板；同时在教学过程中所涉及到的接口电路，也需要有较大的投入和储备，以利于实验的进行和在实验过程中元件损毁后的更换。Protues所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量上，都是可靠和经济的。如果在实验教学中投入这样的真实的仪器仪表，仅仪表的维护来讲，其工作量也是比较大的。因此采用软件的方式进行教学，其经济优势是比较明显的。 (3)学生可自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力 实验能力和实验设计能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力中较为重要的。传统的实验教学中，忽视了学生实验能力的培养，对于实验设计能力的培养，则很少涉及到。因此学生学习了理论，要想将其应用到实际的工程实践中，其难度是比较大的。还有，学生毕业后想对单片机控制技术或智能仪表等有较深的研究和学习，如果采用传统的实验教学方法，则学生需要购置的设备比较多，增加了他们学习和研究的投入。采用仿真软件后，学习的投入变得比较的小，而实际工程问题的研究，也可以先在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样处理，不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。 (4)实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题 在传统的实验教学过程中，都涉及到因操作不当而造成的元器件和仪器仪表的损毁，也涉及到仪器仪表等工作时所造成的能源消耗。采用Protues仿真软件进行的实验教学，则不存在上述的问题，其在实验的过程中是比较安全的。 (5)与工程实践最为接近，可以了解实际问题的解决过程 在进行课程设计或进行大实验的时候，可以具体的在Protues中做一个工程项目，并将其最后移植到一个具体的硬件电路中，让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，利于学生对工程实践过程的了解和学习。 (6)大量的范例，可供学生参考处理在系统的设计时，存在对已有资源的借鉴和引用处理，而该仿真系统所提供的较多的比较完善的系统设计方法和设计范例，可供学生参考和借鉴。同时也可以在原设计上进行修改处理。 (7)协作能力的培养和锻炼 一个比较大的工程设计项目，是由一个开发小组协作完成的。了解和把握别人的设计意图和思维模式，是团结协作的基础。在Proteus中进行仿真实验时，所涉及到的内容并不全是学生独立设计完成的，因此对于锻炼学生的团结协作意识，是有好处的。第2章 电路的设计与分析2.1 矩形波的傅里叶级数的展开2.1.1傅立叶级数的概念任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示（选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的），后世称为傅里叶级数(法文：srie de Fourier，或译为傅里叶级数)一种特殊的三角级数。2.2.2矩形波仿真电路2.2.3矩形波仿真的分析如上图所示电路，当开关SW1,SW2,SW3闭合，SW4,SW5不闭合时，当闭合SW1,SW2,SW3,SW4,不闭合SW5时当5个开关全部闭合时由此可见V1,V2,V3,V4,V5可以看作是傅里叶级数的项数，当项数越多，其合成的波形就越趋向矩形波。2.2三相电路的特性分析2.2.1三相电路简介：由三相交流电源供电的电路。简称三相电路。三相交流电源指能够提供3个频率相同而相位不同的电压或电流的电源，最常用的是三相交流发电机。三相发电机的各相电压的相位互差120。它们之间各相电压超前或滞后的次序称为相序。三相电动机在正序电压供电时正转，改为负序电压供电时则反转。因此，使用三相电源时必须注意其相序。一些需要正反转的生产设备可通过改变供电相序来控制三相电动机的正反转。三相电路是一种特殊的交流电路，由三相电源、三相负载和三相输电线路组成。 目前世界上电力系统电能生产供电方式大都采用三相制。 对称三相电源：三项电源是具有三个平率相同幅值相同但点位不同的电动势的电源。对称三相电压的顺势表达式为 对称三相电压的瞬时值只和为零，即 对称三项电源中的每一相电压经过同一值的先后次序称为相序。2.2.2 对称三相电路实例仿真及原理解析 对称三角电路是由对称三相电源和对称三相负载连接而成。对称三相负载是三个完全相同的负载，它们一般也接成星形或三角形。如图三个输入源幅值同为5V 频率也同为10Hz，相位互相差120。电路中的对称三相电源作星型联结，三相负载也接成星型，没有接中线。A,B,C分别为R1,R2,R3端输入信号。A,B,C三端所得信号如下图：2.2.3 不对称三相电路实例仿真及原理解析不对称三角电路是由对称三相电源和不对称三相负载连接而成。对称三相负载是三个不同的负载，它们一般也接成星形或三角形。A,B,C三端所得信号如下图2.3 有源RC滤波电路的特性分析2.3.1 有源RC滤波电路基本概念：平常所说的电容滤波、电感滤波等，由于采用无源器件所以可称之为无源滤波电路，若在滤波电路中加入了有源器件（如三极管等需要电源支持的器件），则称之为有源滤波。2.3.2 有源RC电路实例仿真及原理解析上图是以低通电路，为此求此电路的网络参数：节点1：节点2：由上式可以定性，看出这个电路是二阶低通电路用Proteus对上图进行频谱分析：由上图可以看出此电路为二阶低通电路2.4 无源RC滤波电路的特性分析2.4.1 RC电路的基本功能RC电路在模拟电路、脉冲数字电路中得到广泛的应用，由于电 路的形式以及信号源和R，C元件参数的不同，因而组成了RC电路的各种应用形式：微分电路 、积分电路、耦合电路、滤波电路及脉冲分压器。微分、积分电路。耦合电路。在模拟及脉冲数字电路中，常常用到由电阻R和电容C组成的RC电路，在些电路中， 电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系，产生了RC电路的不同应用。2.4.2 无源RC滤波电路实例分析如上图频率响应公式为H（s)=可以看出此电路为简单的低通滤波电路 仿真频谱分析图上图与预期结果相同 第3章 反向放大比例电路的设计3.1设计目的(1) 掌握反相比例运算、同相比例运算、加法和减法运算电路的原理，设计方法及测量方法。(2) 能正确分析运算精度与运算电路中各元件参数之间的关系，能正确理解“虚断”、“虚短”的概念。 （3） 设计一个能实现下列运算关系的运算电路： 技术要求：输出失调电压Uo 5mV。3.2 参考电路及注意点 在应用集成运算放大器时，必须注意以下问题：集成运算放大器是由多级放大电路组成的，将其闭环构成深度负反馈时，可能会在某些频率上产生附加相移，造成电路工作不稳定，甚至产生自激振荡，使运算放大器无法正常工作，所以必须在相应运算放大器规定的引脚端接上相位补偿网络。在需要放大含直流分量信号的应用场合，为了补偿运算放大器本身失调的影响，保证在集成运算放大器闭环工作后，输入为零时输出为零，必须考虑调零问题。为了消除输入偏置电流的影响，通常让集成运算放大器两个输入端对地直流电阻相等，以确保其处于平衡对称的工作状态。在理想条件下，如下图所示反相加法电路的输入电压与输出电压的关系为 确定R1=R2=R3=Rf=20K欧 Rb=5.1欧 放大器芯片选择LM358按上图进行电路板设计 得到实物图：当三个端口都接了幅值为1V 频率为10KHz的正弦波经过反向放大器的放大，得到幅值为3.2V 频率为10KHz的正弦波如下图实际值与理论值差距不大，符合设计要求。3.3 总结与讨论： 焊电路板的过程必须仔细小心防止虚焊，也避免锡滴过多把几个相邻的点连在一起。由于连线很多，应该尽量减少不必要的连线。 第五章 结束语 通过此次课程设计对模拟电子电路和Pr