Proteus快速入门篇.ppt

第1章Proteus快速入门 1 1Proteus整体功能预览1 1 1集成化的电路虚拟仿真软件 Proteus1 1 2ProteusVSM仿真与分析1 1 3ProteusARES的应用预览功能1 2Proteus跟我做1 2 1Proteus软件的安装与运行1 2 2一阶动态电路的设计与仿真1 2 3异步四位二进制计数器的设计及仿真1 2 489C51与8255接口电路的调试及仿真 第1章Proteus快速入门 Proteus软件是由英国LabcenterElectronics公司开发的EDA工具软件 已有近20年的历史 在全球得到了广泛应用 Proteus软件的功能强大 它集电路设计 制版及仿真等多种功能于一身 不仅能够对电工 电子技术学科涉及的电路进行设计与分析 还能够对微处理器进行设计和仿真 并且功能齐全 界面多彩 是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件 1 1Proteus整体功能预览 Proteus软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的 它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美 它的电路仿真功能可以和Multisim相媲美 且独特的单片机仿真功能是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 它的功能不但强大 而且每种功能都毫不逊于Protel 是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件 1 1 1集成化的电路虚拟仿真软件 Proteus Proteus是一个基于ProSPICE混合模型仿真器的 完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台 它包含ISIS和ARES应用软件 具体功能分布如图1 1所示 图1 1Proteus的功能分布图 ISIS 智能原理图输入系统 系统设计与仿真的基本平台 ARES 高级PCB布线编辑软件 在Proteus中 从原理图设计 单片机编程 系统仿真到PCB设计一气呵成 真正实现了从概念到产品的完整设计 Proteus从原理图设计到PCB设计 再到电路板完成的流程如图1 2所示 图1 2Proteus设计流程 在图1 2中 最上面是一个基于单片机的应用电路原理图 显示的画面正处于仿真运行状态 设计者可以从Proteus原理图库中调用所需库元件 然后通过合适连线即可 单片机内可通过单击单片机芯片加入已编译好的十六进制程序文件 然后运行仿真即可 中间图片是运用Proteus的PCB制版功能设计出的电路板 可通过原理图生成网络表后设计布局而成 最下面的图为根据设计的PCB加工而成的电路板和安装焊接完成后的实际电路 可见 整个电路从设计到实际电路制作完成 通过Proteus一个软件即可完美实现 并且 它的仿真结果与实际误差很小 非常适合电子设计爱好者和高校学生自学使用 缩短了设计周期 降低了生产成本 提高了设计成功率 1 1 2ProteusVSM仿真与分析 Proteus软件的ISIS原理图设计界面同时还支持电路仿真模式VSM 虚拟仿真模式 当电路元件在调用时 我们选用具有动画演示功能的器件或具有仿真模型的器件 当电路连接完成无误后 直接运行仿真按钮 即可实现声 光 动等逼真的效果 以检验电路硬件及软件设计的对错 非常直观 ProteusVSM有两种不同的仿真方式 交互式仿真和基于图表的仿真 交互式仿真 实时直观地反映电路设计的仿真结果 基于图表的仿真 ASF 用来精确分析电路的各种性能 如频率特性 噪声特性等 ProteusVSM中的整个电路分析是在ISIS原理图设计模块下延续下来的 原理图中可以包含以下仿真工具 探针 直接布置在线路上 用于采集和测量电压 电流信号 电路激励 系统的多种激励信号源 虚拟仪器 用于观测电路的运行状况 曲线图表 用于分析电路的参数指标 1 仿真工具 激励源DC 直流电压源 Sine 正弦波发生器 Pulse 脉冲发生器 Exp 指数脉冲发生器 SFFM 单频率调频波信号发生器 Pwlin 任意分段线性脉冲信号发生器 File File信号发生器 数据来源于ASCII文件 Audio 音频信号发生器 数据来源于wav文件 DState 单稳态逻辑电平发生器 DEdge 单边沿信号发生器 DPulse 单周期数字脉冲发生器 DClock 数字时钟信号发生器 DPattern 模式信号发生器 Proteus激励源的可编辑格式示例如图1 3所示 图1 3Proteus激励源的可编辑格式示例 2 仿真工具 虚拟仪器虚拟示波器 OSCILLOSCOPE 逻辑分析仪 LOGICANALYSER 计数器 定时器 COUNTERTIMER 虚拟终端 VIRUALTERMINAL 信号发生器 SIGNALGENERATOR 模式发生器 PATTERNGENERATOR 交直流电压表和电流表 AC DCvoltmeters ammeters SPI调试器 SPIDEBUGGER I2C调试器 I2CDEBUGGER Proteus的部分虚拟仪器 虚拟终端显示器 四通道示波器和SPI I2C调试器 Proteus激励源的可编辑格式示例如图1 3所示 图1 3Proteus激励源的可编辑格式示例 3 交互式仿真实例 741放大电路 高级仿真 ASF 实例 741放大电路分析 如图1 5所示 图1 5741放大电路分析 噪声分析 显示随频率变化的输出噪声和等效输入噪声电压 并列出电路各部分所产生的噪声电压清单 741放大电路的噪声分析如图1 6所示 失真分析 用于确定由测试电路所引起的电平失真的程度 失真分析图表用于显示随频率变化的二次和三次谐波失真电平 741放大电路的失真分析如图1 7所示 图1 6741放大电路的噪声分析图1 7741放大电路的失真分析 4 Proteus微处理器系统仿真 单片机系统的仿真是ProteusVSM的主要特色 用户可在Proteus中直接编辑 编译 调试代码 并直观地看到仿真结果 CPU模型有ARM7 LPC21xx PIC AtmelAVR MotorolaHCXX以及8051 8052系列 同时模型库中包含了LED LCD显示 键盘 按钮 开关 常用电机等通用外围设备 VSM甚至能仿真多个CPU 它能便利处理含两个或两个以上微控制器的系统设计 下面看一个微处理器系统仿真与分析实例 交互式仿真显示系统输出结果 如图1 8所示 图1 8微处理器交互仿真实例 单片机8051通过锁存器驱动液晶显示屏 单片机的程序可通过Keil 支持汇编和C格式 编辑 编译成 hex 后 直接用鼠标双击画面上的8051芯片 把 hex 文件加入即可 如果程序无误 而且硬件电路也连接正确 则单击原理图设计界面左下方的仿真运行按钮 出现图1 8的仿真结果 其中 每个芯片引脚还会通过红蓝两色的方点来表示此时的引脚电平高低 红色表示高电平 蓝色表示低电平 通过COMPIM串口仿真模型 可以实现虚拟仿真电路与外部实际电路的双向通信 如图1 9所示 原理图中的P1为虚拟串口 通过适当设置和引用 可以直接实现模拟与实际电路一样的串行通信效果 避免了涉及外围及与PC之间的通信无法实现的情况 在Proteus中 虚拟元件及虚拟仪器的种类很多 我们不必担心单片机与上位机之间的通信如何来仿真的问题 图1 9虚拟仿真电路与外部实际电路的双向通信 5 Proteus与Keil联调Proteus与汇编程序调试软件Keil可实现联调 在微处理器运行中 如果发现程序有问题 可直接在Proteus的菜单中打开Keil对程序进行修改 如图1 10所示 图1 10Proteus与Keil的联调 1 1 3ProteusARES的应用预览功能 Proteus的ARES软件具有PCB 印刷电路板 设计的强大功能 新的Proteus7支持PCB板的三维预览 便于观察器件布局和展示设计结果 如图1 11所示 图1 11Proteus的PCB三维预览 1 2Proteus跟我做1 2 1Proteus软件的安装与运行 Proteus软件目前的最新版本为7 2 先按要求把软件安装到计算机上 安装结束后 在桌面的 开始 程序菜单中 单击运行原理图 ISIS7Professional 或PCB ARE7Professional 设计界面 ISIS7Professional在程序中的位置如图1 12所示 图1 12ISIS7Professional在程序中的位置 图1 13为ISIS7Professional运行时的界面 图1 13ISIS7Professional运行时的界面 我们都知道 学习软件的最大困惑是 想一下子能够上手 但看到层层叠叠的英文菜单和详而又细的教程却望而生畏 最后会因没有足够的耐心而失去兴趣 半途而废 其实 对于初学者 我们不必了解软件的全部功能 只要能够把握它的核心和宗旨的东西 拿来就能用 能快速玩转 是最开心不过的了 至于内部的详细功能 在有了兴趣和信心之后 再具体学习即可 我们先从最简单的电路入手 来设计一个电容充放电电路 并通过电路仿真观察其电流流向和灯的亮灭 大家跟我做 一步一步来 一会儿你会找到一种成就感 1 2 2一阶动态电路的设计与仿真 1 元件的拾取在桌面上选择 开始 程序 Proteus7Professional 单击蓝色图标 ISIS7Professional 打开应用程序 ISISProfessional的编辑界面如图1 14所示 图1 14ISISProfessional的编辑界面 在弹出的对话框中选择 No 选中 以后不再显示此对话框 关闭弹出提示 本例所用到的元件清单如表1 1所示 表1 1例1的元件清单 用鼠标左键单击界面左侧预览窗口下面的 P 按钮 如图1 14所示 弹出 PickDevices 元件拾取 对话框 如图1 15所示 图1 15元件拾取对话框 ISIS7Professional的元件拾取就是把元件从元件拾取对话框中拾取到图形编辑界面的对象选择器中 元件拾取共有两种办法 1 按类别查找和拾取元件元件通常以其英文名称或器件代号在库中存放 我们在取一个元件时 首先要清楚它属于哪一大类 然后还要知道它归属哪一子类 这样就缩小了查找范围 然后在子类所列出的元件中逐个查找 根据显示的元件符号 参数来判断是否找到了所需要的元件 双击找到的元件名 该元件便拾取到编辑界面中了 按照表1 1中的顺序来依次拾取元件 首先是充电电容CAPACITOR 在图1 15中打开的元件对话框中 在 Category 类中选中 Capacitors 电容类 在下方的 Sub category 子类 中选中 Animated 可动画演示 查询结果元件列表中只有一个元件 即我们要找的CAPACITOR 如图1 15所示 双击元件名 元件即被选入编辑界面的元件区中了 如图1 16所示 如图单击一个元件后单击右下角的 OK 元件拾取后对话框关闭 连续取元件时不要单击 OK 按钮 直接双击元件名可继续 拾取元件对话框共分四部分 左侧从上到下分别为直接查找时的名称输入 分类查找时的大类列表 子类列表和生产厂家列表 中间为查到的元件 列表 右侧自上而下分别为元件图形和元件封装 图1 16中的元件没有显示封装 图1 16分类拾取元件示意图 2 直接查找和拾取元件把元件名的全称或部分输入到PickDevices 元件拾取 对话框中的 Keywords 栏 在中间的查找结果 Results 中显示所有电容元件列表 用鼠标拖动右边的滚动条 出现灰色标示的元件即为找到的匹配元件 如图1 17所示 这种方法主要用于对元件名熟悉之后 为节约时间而直接查找 对于初学者来说 还是分类查找比较好 一是不用记太多的元件名 二是对元件的分类有一个清楚的概念 利于以后对大量元件的拾取 图1 17直接拾取元件示意图 按照电容的拾取方法 依次把五个元件拾取到编辑界面的对象选择器中 然后关闭元件拾取对话框 元件拾取后的界面如图1 18所示 图1 18元件拾取后的界面 下面把元件从对象选择器中放置到图形编辑区中 用鼠标单击对象选择区中的某一元件名 把鼠标指针移动到图形编辑区 双击鼠标左键 元件即被放置到编辑区中 电阻要放置两次 因为本例中用到两个电阻 放置后的界面如图1 19所示 图1 19元件放置后的界面 2 编辑窗口视野控制学会合理控制编辑区的视野是元件编辑和电路连接进行前的首要工作 编辑窗口的视野平移可用以下方法 在原理图编辑区的蓝色方框内 把鼠标指针放置在一个地方后 按下 F5 则以鼠标指针为中心显示图形 当图形不能全部显示出来时 按住 Shift 键 移动鼠标指针到上 下 左 右边界 则图形自动平移 快速显示想要显示的图形部分时 把鼠标指向左上预览窗口中某处 并单击鼠标左键 则编辑窗口内图形自动移动到指定位置 另外还有两个图标 用于显示整个图形 以鼠标所选窗口为中心显示图形 编辑窗口的视野缩放用以下方法 先把鼠标指针放置到原理图编辑区内的蓝色框内 上下滚动鼠标滚轮即可缩放视野 如果没有鼠标滚轮 可使用图标和来放大和缩小编辑窗口内的图形 放置鼠标指针到编辑窗口内想要放大或缩小的地方 按 F6 放大 或 F7 缩小 放大或缩小图形 按 F8 显示整个图形 按住 Shift 键 在编辑窗口内单击鼠标左键 拖出一个欲显示的窗口 3 元件位置的调整和参数的修改在编辑区的元件上单击鼠标左键选中元件 为红色 在选中的元件上再次单击鼠标右键则删除该元件 而在元件以外的区域内单击右键则取消选择 元件误删除后可用图标找回 单个元件选中后 单击鼠标左键不松可以拖动该元件 群选使用鼠标左键拖出一个选择区域 使用图标来整体移动 使用图标可整体复制 图标用来刷新图面 按图1 20所示元件位置布置好元件 使用界面左下方的四个图标 可改变元件的方向及对称性 把两位开关调整成图示的方位 图1 20元件布置 先存一下盘 建立一个名为Proteus的目录 选主菜单File SaveDesignAs 在打开的对话框中把文件保存为Proteus目录下的 Cap1 DSN 只用输入 Cap1 扩展名系统自动添加 下面改变元件参数 左键双击原理图编辑区中的电阻R1 弹出 EditComponent 元件属性设置 对话框 把R1的Resistance 阻值 由10k 改为1k 把R2的阻值由10k 改为100 缺省单位为 EditComponent 元件属性设置 对话框如图1 21所示 图1 21元件属性设置对话框 注意到每个元件的旁边显示灰色的 为了使电路图清晰 可以取消此文字显示 双击此文字 打开一个对话框 如图1 22所示 在该对话框中选择 Style 先取消选择 Visible 右边的 FollowGlobal 选项 再取消选择 Visible 选项 单击 OK 即可 图1 22 TEXT 属性设置对话框 也可在元件调用前 直接选择主菜单中的 Template SetDesignDefaults 打开画图模板设置选项 如图1 23所示 图1 23打开模板设计对话框 接着出现EditDesignDefaults 编辑模板设计 对话框 如图1 24所示 在 Showhiddentext 选项中把对勾去掉 然后单击 OK 即可 每个元件的旁边不再显示灰色的 图1 24编辑模板设计对话框 4 电路连线电路连线采用按格点捕捉和自动连线的形式 所以首先确定编辑窗口上方的自动连线图标和自动捕捉图标为按下状态 Proteus的连线是非常智能的 它会判断你下一步的操作是否想连线从而自动连线 而不需要选择连线的操作 只需用鼠标左键单击编辑区元件的一个端点拖动到要连接的另外一个元件的端点 先松开左键后再单击鼠标左键 即完成一根连线 如果要删除一根连线 右键双击连线即可 按图标取消背景格点显示 如图1 25所示 连线完成后 如果再想回到拾取元件状态 按下左侧工具栏中的 元件拾取 图标即可 如图1 26所 示 记住按一下存盘图标 图1 25连接好的电路原理图图1 26重新回到元件拾取界面 5 电路的动态仿真前面我们已经完成了电路原理图的设计和连接 下面来看看电路的仿真效果 首先在主菜单 System SetAnimationOptions 中设置仿真时电压及电流的颜色及方向 如图1 27所示 图1 27AnimatedCircuitsConfiguration对话框 在随后打开的对话框中 选择 ShowWireVoltagebyColour 和 ShowWireCurrentwithArrows 两项 即选择导线以红 蓝两色来表示电压的高低 以箭头标示来表示电流的流向 单击ProteusISIS环境中左下方的仿真控制按钮中的运行按钮 开始仿真 仿真开始后 用鼠标单击图中的开关 使其先把电容与电源接通 如图1 28所示 能清楚地看到电容充电的效果 接着单击开关 使其把电容与灯连通 看到灯闪了一下 如图1 29所示 由于充电时间常数为1秒 放电时间常数小一些 瞬间放电 所以灯亮的时间很短 如果放电时间常数再大 则不易观察到灯亮的效果 在运行时 可以来回拨动开关 反复观察充放电过程 单击仿真控制按钮中的停止按钮 仿真结束 图1 28电容充电过程的仿真 图1 29电容放电过程的仿真 6 文件的保存在设计过程中要养成不断存盘的好习惯 以免突发事件而造成事倍功半的效果 影响学习情绪 最好先建立一个存放 DSN 文件的专用文件夹 你会发现在这个文件夹中 除了刚刚设计完成的 Cap1 DSN 文件外 还有很多其他扩展名的文件 可以统统删除 下次打开时 可直接双击 Cap1 DSN 文件 或先运行Proteus 再打开 Cap1 DSN 文件 7 变式演练下面来尝试自己动手设计一个电容充放电电路 如图1 30所示 与刚才的电路不同的是 这个电路选用了两个一位开关代替原来的一个两位开关 在充放电回路中分别串入了直流数字电流表 在电容两端并接了一个电压表 用于观察充放电过程中的电流及电压的变化 另外 放电回路中取消了放电电阻 充电电阻值和电容值也都有变化 图1 30变式演练电路图 所用元件名称及所属的库文件如表1 2所示 可采取直接查询法来拾取表中元件 表1 2变式演练的元件清单 选取虚拟仪器图标来获取直流电压表和电流表 如图1 31所示 由上而下的仪器分别为示波器 OSCILLOSCOPE 逻辑分析仪 LOGICANALYSER 计数定时器 COUNTERTIMER 虚拟终端 VIRTUALTERMINAL 信号发生器 SIGNALGENERATOR 模式发生器 PATTERNGENERATOR 直流电压表 DCVOLTMETER 直流电流表 DCAMMETER 交流电压表 ACVOLTMETER 和交流电流表 ACAMMETER 图1 31虚拟仪器菜单 两个电流表设置为毫安表 分别取名为AM1和AM2 电压表取名为VM1 双击电流表 出现如图1 32所示的EditComponent 属性设置 对话框 照图完成设置 图1 32毫安表的设置把此文件保存为 CAP2 DSN 在仿真时 注意观察电流表和电压表数值的变化 1 2 3异步四位二进制计数器的设计及仿真 从上一节一阶动态电路的例子 我们已经对Proteus的基本功能有了初步的认识和了解 但是 还有一些疑问和不解没有解决 比如 怎么知道哪些元件存放在哪些库里 怎么知道所用元件的名称等 通过下面这个数字电路的设计实例 大家会有进一步的体会 如果已经具备了数字电子技术的知识 就会知道 这是一个异步时序逻辑电路 由四个触发器构成 这里选用JK触发器 把它们的JK端全接高电平 前一级的输出作为后一级的时钟信号 观察四个触发器输出端所组成的二进制数的变化是否为0 F 即0000 1111 1 元件的拾取如果不知道所用元件的确切名字及所在的库 可以用查询的方法在所有库里海选 选择主菜单 Library PickDevice Symbol 或直接单击左侧工具箱中的图标后再单击 P 按钮 打开如图1 33所示的对话框 采用部分查找法 在所查找的元件名关键词中填写 JK 所有 JK 触发器元件都被找出 列在图1 33的中间部分查询结果中 选中 JKFF ACTIVE 即选中仿真库中的元件 单击 OK 元件拾取到对象选择器中 图1 33元件拾取对话框 按表1 3所示 采用直接查询法 把所有元件都拾取到编辑区的元件列表中 表1 3元件清单列表 2 元件连线先放置一个JK触发器 选中左侧电源和接地图标 单击 POWER 一个箭头形状的标准数字直流电源 即高电平 出现在元件预览区 拖出后与触发器的JK端接上 如图1 34所示 图1 34与触发器的JK端连接 因为四个触发器的JK端接法都一样 故采取复制法画其他三个触发器 用左键选中刚才所画的图形 选取上方的复制按钮 连续单击鼠标三次 得到如图1 35所示的图形 图1 35复制后的四个触发器接下来 把前一个触发器的输出端连接到下一个触发器的时钟CLK端上 再把时钟 CLOCK 拖出 连 在第一个触发器的CLK输入端上 如图1 36所示 如果是下降沿触发的触发器 则把前一个触发器的Q端连到下一个触发器的时钟CLK端上 把该电路保存为 Counter DSN 图1 36连接好的异步四位二进制计数器 3 电路的动态仿真为了观察计数器计数的动态过程 我们在每个触发器的输出端Q连接一个逻辑电平探测器 能够显示0和1 把LOGICPROBE BIG 元件拖到图形编辑区内 连续双击鼠标三次 得到四个逻辑探测器 分别接到每个JK触发器的输出端Q上 最后一个触发器为最高位 MSB 同时 把七段数码显示拖入编辑区 数码管的最左端是高位 分别和各触发器的输出端Q相连 如图1 37所示 图1 37加上逻辑电平探测器和七段数码管后的电路按下仿真运行按钮 四个逻辑探测器组成的四位二进制数从0000 1111变化 而七段数码管则显示0 F 另外我们还观察到每个器件的连线端都有红蓝两色小方块来显示该端的电平变化 红色为高电平 蓝色为低电平 如图1 38所示 十六进制计数器计到14 显示 E 图1 38连接好的异步四位二进制计数器 4 电路波形的生成有时为了方便分析 我们还会在已绘制好的图中加上波形图 在一个波形图中 可以插入多个观测点的波形 它们既可以是数字波形 也可以是模拟波形或是其他形式的波形 现在我们想把上图中四个触发器的输出端Q的波形分别显示出来 首先要把一个电压探针接在被测点 左侧图标和分别为电压和电流探针 四个电压探针分别命名为Q1 Q2 Q3和Q4 单击左侧图标 选择插入波形的种类 如图1 39所示 选择数字波形 DIGITAL 或数字模拟混合波形 MIXED 图1 39加上逻辑探针后的图形接下来放置波形 选择主菜单 Graph EditGraph 在图形编辑区的下方单击鼠标左键拖出一个长方形波形区域 再次单击左键确定 选择 Graph AddTrace 添加轨迹 在弹出的对话框中 选择右侧的数字 Digital 波形 选中Pro beP1中的Q1 电压探针加上后 所有探针的名称自动出现在这里 单击 OK 如图1 40所示 Q1的坐标出现在波形图中 继续选择 Graph AddTrace 选中Q2 重复上一步骤 直到四点波形坐标都加到图形中为止 选择主菜单 Graph EditGraph 把波形标题更改为 DIGITALANALYSIS 数字波形分析 把停止时间改为16 如图1 41所示 图1 40加入Q1的轨迹图1 41修改波形标题横坐标单位 选择 Graph SimulateGraph 或按空格键 生成波形 不需要运行仿真 只要执行此命令 四个探测点的波形就自动生成了 如图1 42所示 这种波形不同于示波器显示的波形 它能够静态地保留在原理图中 供读者分析或随图形一起输出打印 当按下空格键后 它可以再次刷新生成 图1 42计数器的波形图 左击波形图的绿色标题栏部分 可全屏显示波形 并可根据全屏显示的菜单更改波形及背景的颜色 拉动竖线 在左侧查看各时刻各观测点电平的高低等 5 变式演练设计一个555多谐振荡器 输出一个10Hz的方波 根据计算公式 取C1为473 0 047 F 设R1与R2相等 则R1 R2 100k 元件清单如表1 4所示 表1 4多谐振荡器元件清单在电容C1一端和555的输出端3分别放置电压探针 以生成这两点的波形 其中Vc选择为模拟波形 Analog Vo为数字波形 Digital 波形的停止时间不要选得太大 以免生成时间太长 因为周期为10ms 停止时间选为40ms即可 另外把这两点的波形接到示波器上观察 从虚拟仪器中拖出示波器 按图1 43接好 单击仿真运行开始按钮 自动弹出示波器界面 通过选择和调整相应按钮和旋钮 把电容的充放电波形和输出方波显示出来 如