《Proteus仿真电路软件》-第一章

1.1Proteus软件的安装与用户界面

单片机的学习和应用包括软件编程和硬件系统设计两个方面。单片机的软件编程与具体的单片机型号及外围电路密切相关,学习单片机应用程序设计和系统开发,通常都要用到单片机实验箱、仿真器和开发板等。这增加了初学者,尤其是业余爱好者对单片机技术的学习难度和成本。但是,Proteus软件的出现,使学习者只使用一台计算机,在纯软件环境下,就可以完成硬件系统的设计与仿真,还可以让仿真的单片机加载已编好的程序,即软硬件同时仿真,这极大地方便了单片机的软硬件学习。Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司开发的电子设计自动化（EDA）工具软件,它可以从电路原理图、程序代码调试到单片机与外围电路仿真,最后直接转换为PCB设计,实现了电子产品从概念到实物的完整自动化设计。下一页返回1.1Proteus软件的安装与用户界面

Proteus提供了大量与实际相对应的元器件库，还提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器及仪表，大大增加了电路设计与学习的方便性与灵活性。特别是，在各种电路仿真软件中，它对单片机的仿真性能较为突出，其支持的处理器模型包括8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430Cortex和DSP系列处理器等。Proteus软件安装后会有两个模块：ARES和ISIS。ARES是PCB布线编辑软件，用于制作电路板；而ISIS是电路仿真软件，它分门别类地提供了大量常见的模拟电子器件、数字电子器件以及微处理器芯片仿真模型，同时还提供了丰富的调试工具和手段，是一款简单易用而又功能强大的EDA工具软件。我们主要用它来搭建仿真的单片机硬件系统，并进行单片机系统的软硬件仿真调试。上一页下一页返回1.1Proteus软件的安装与用户界面

软件安装完成后，运行“ISIS7Professional”，即可进入图1.1所示的ISIS编辑环境。整个用户界面分为如图所示的几个重要功能区。电路图编辑窗口：用户在这里放置元器件、连接导线，并绘制自己的仿真电路。预览窗口：电路图放大后，在电路图编辑窗口可能只能看见一部分仿真电路，而预览窗口则用于显示全局原理图。当鼠标左键单击预览窗口并移动鼠标，此时可改变仿真电路在电路图编辑窗口中的显示位置。另外，单击元器件选择窗口选中某一元器件时，预览窗口还用于显示被选中元器件的外形图。元器件/库加载按钮：“P”按钮用于从元器件库中调出电路要用到的元器件并放到下面的元器件选择窗口中备用，“L”按钮用于调出元器件库的管理界面。元器件选择窗口：将从元器件库中调出的元器件放在这里，以便重复使用。上一页下一页返回1.1Proteus软件的安装与用户界面

仿真调试按钮：电路仿真时用于“开始”“单步”“暂停”“停止”等操作。工具箱：工具箱中各图标按钮对应的操作如下。component按钮：用于选择元器件，单击此按钮后，元器件预览窗口才显示元器件。Junctiondot按钮：用于在电路图中放置导线交叉连接点。WireLabel按钮：导线标签，用于为某条导线命名，同名导线视为物理上连接。TextScript按钮：用于在电路图中输入文本信息。Bus按钮：用于绘制总线。Subcircuit按钮：用于绘制子电路模块。Terminals按钮：用于添加各种终端（如输入、输出、电源、接地等）。上一页下一页返回1.1Proteus软件的安装与用户界面

Devicepins按钮：用于添加各种器件引脚（普通引脚、时钟引脚、反压引脚等）。Graph按钮：用于添加仿真分析所需要的各种图表。TapeRecorder按钮：用于磁带记录。Generator按钮：用于添加各种信号源。VoltageProbe按钮：用于添加电压探针，以测量探针处的实时电压值。CurrentProbe按钮：用于添加电流探针，以测量探针处的实时电流值。VirtualInstruments按钮：用于添加各种虚拟仪器（示波器、电压表、电流表等）。：元器件放置前可旋转或镜像，放置后的元器件需右键单击后操作。上一页下一页返回1.1Proteus软件的安装与用户界面

在电路图编辑窗口进行电路设计与编辑的时候，经常要对电路图用到两种非常重要的操作，即缩放和平移。通常可用如下几种方式缩放电路原理图：（1）将鼠标移动到需要缩放的地方，滚动滚轮可将图纸放大或缩小。（2）将鼠标移动到需要缩放的地方，按键盘“F6”键可放大，按“F7”键可缩小。（3）按下“Shift”键，同时按下鼠标左键，可拖拽出需要放大的区域。（4）使用工具条中的“ZoomIn”（放大）、“ZoomOut”（缩小）、“ZoomAll”（全图）、“ZoomArea”（放大区域）进行操作。（5）按“F8”键可以在任何时候显示全部电路图。上一页下一页返回1.1Proteus软件的安装与用户界面

可用如下几种方式在电路图编辑窗口对电路图进行平移：（1）按下鼠标滚轮，出现光标，表示图纸已处于提起状态，此时移动鼠标可以进行平移。（2）将鼠标置于要平移到的地方，按“F5”键进行平移。（3）按下“Shift”键，在电路图编辑窗口移动鼠标，进行平移。（4）如果想要平移至相距比较远的地方，最快捷的方式是在预览窗口单击显示该区域。（5）使用工具栏的“Pan”按钮进行平移。（6）在图纸提起状态下，也可使用鼠标滚轮进行缩放操作。掌握这些操作可以大大提高电路图编辑和绘制的效率，特别是滚轮的使用，不但可以用于缩放，还可以用于平移。上一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

ISIS可以仿真模拟电路、数字电路和多种型号单片机，并带有多种虚拟仪器，可帮助电路的仿真和调试。下面我们就搭建一个比较简单的模拟电路，并进行仿真调试，以此来开始学习ISIS软件的使用。启动ISIS软件后，单击“File”→“NewDesign”命令，弹出一个界面，可选择不同模板来进行电路设计与仿真。不同模板只是设置和显示信息有所不同，对仿真没有本质影响，所以选第一个“DEFAULT”即可。进入主界面后，单击元器件选择窗口上面的“P”按钮，将会弹出如图1.2所示的元器件选择对话框，其结构和各部分名称如图所示。选择元器件可以有两种途径。如果知道元器件在库中的名称，可以直接在“Keywords”栏中输入名称，ISIS将把所有符合名称的元器件及其所属库都显示出来。如果不知道元器件在库中的准确名称，则只能根据分类来查找。下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

ISIS软件的元器件分类库中各项的名称和含义如下：AnalogICs：模拟集成电路芯片，它有8个子类；Capacitors：电容,共有23个子类,其中Animated子类为动态仿真电容；CMOS4000series：CMOS4000系列电路芯片，共有16个子类；Connectors：连接器，共有8个子类；DataConverters：数据转换器，共有4个子类；DebuggingTools：调试工具，共有3个子类；Diodes：二极管，共有8个子类；Inductors：电感，共有3个子类；LaplacePrimitives：拉普拉斯模型，共有7个子类；MemoryICs：存储器芯片，共有7个子类；MicroprocessorICs：微处理器芯片，共有13个子类，包括8051和AVR系列；上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

Miscellaneous：杂项元器件；ModelingPrimitives：建模源，共有9个子类；OperationalAmplifiers：运算放大器，共有7个子类；Optoelectronics：光电元器件，共有11个子类；Resistors：电阻，共有11个子类，其中Generic为通用电阻；SimulatorPrimitives：仿真源，共有3个子类；SwitchesandRelays：开关和继电器，共有4个子类；SwitchingDevices：开关元器件，共有4个子类；ThermionicValves：热离子真空管，共有4个子类；Transducers：传感器，共有2个子类；Transistors：晶体管，共有8个子类；TTL74系列集成电路系列：包括不同特性系列及多个子类。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

在此界面中，根据Category—Sub_category—Device—Library，双击选中的元器件，此器件就会被调入主界面中的元器件选择窗口。此例中我们需要的元器件如下：灯泡：Optoelectronics—Lamps—LAMP—ACTIVE；发光二极管：Optoelectronics—LEDs—LED_GREEN—ACTIVE；电池：Miscellaneous—BATTERY；电位器：Resistors—Variable—POT_HG—ACTIVE；保险丝：Miscellaneous—FUSE—ACTIVE；电阻：Resistors—Generic—RES—DEVICE。返回主界面，在元器件选择窗口中单击选中的各个元器件，然后分别在电路图编辑窗口中适当位置单击，即可放置好仿真所需要的元器件，软件会自动给放置的元器件起好名字。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

调整好元器件的位置，然后在各个元器件的接线端单击，可把各个元器件之间的导线连接好，如图1.3所示。注意两个元器件的引脚不能直接连在一起，引脚之间必须用导线连接。此仿真电路的作用有两个，一是分析和观察灯泡及发光二极管的亮度随电压和电流的变化情况，二是观察干路电流超过保险丝的额定值时，保险丝熔断情况。线路连接好后即可单击“运行”按钮，开始仿真。但由于初始元器件参数不合适及不能直观查看电流和电压，仿真效果不明显。但双击每个元器件，都可以查看和更改其参数。我们将各个元器件参数更改如下：电池组电压由9V改为15V，电位器阻值不变，电阻R1

阻值由10kΩ改为1.28kΩ，灯泡内阻24Ω不变，发光二极管管压降2.2V不变，保险丝额定电流1A暂时不变。点选工具箱中电压和电流探针，在如图1.4中所示位置分别添加2个电压探针和3个电流探针。在电池组的负极添加一个接地符号，使电压探针测得的电压是相对于地的值。注意电流探针的尖头最好要顺着电路中电流方向。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

此时，单击“运行”按钮。单击电位器，左右移动滑动端，通过改变电位器的电阻值，观察电流和电压的变化，以及灯泡和发光二极管的亮度随电压和电流的变化。当电位器滑动端在最左端（0%）时，D1

支路电流理论值应为：（15-2.2）/1.28kΩ=10mA，而灯泡支路电流应为：15/24=0.625A。此时，干路电流最大值约为0.63A，没超过保险丝的额定值，所以工作正常。停止仿真，双击保险丝，将其额定电流修改为0.5A。先将电位器滑动端移到中间，然后单击“运行”按钮。慢慢左移电位器滑动端，同时观察干路电流变化，当超过0.5A时，保险丝熔断，灯泡和发光二极管熄灭。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

ISIS还可以直观显示电路中电流的实时流动方向和各部分电路电压的相对大小。停止运行，单击“System”→“SetAnimationOptions”菜单命令，在弹出窗口中将“ShowWireVoltagebyColor？”和“ShowWireCurrentwithArrows？”后面的“√”点上，再运行，即可看到动态效果。另外，单击“Template”→“SetDesignDefaults”菜单命令，将“Showhiddentext？”后面的“√”去掉，从而将每个元器件的text属性隐藏，让电路更整洁。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

下面再介绍一个稍微复杂一点的模拟仿真电路：非线性蔡氏混沌电路。典型的蔡氏电路如图1.5所示，它由3个部分构成：LC2振荡电路，RC1移相电路和NR非线性负阻电路。根据欧姆定律，可以得到蔡氏电路工作时的状态方程为：上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

式中，UC1为C1（或负阻NR）两端的电压；UC2

为C2（或L）两端的电压；

i

L

为通过L的电流；G为可调电阻R的电导；g为非线性负阻NR的电导。实验电路中L、C1、C2、R均为线性器件，只有NR为非线性负阻器件，NR也是产生混沌现象的关键器件。阻值为负的电阻元件并不存在，所谓负阻，是指元件两端动态的电压和电流比值为负值。NR的实现可以有多种途径，常用且比较简单的方法是：使用两个运算放大器和6个电阻来构成一个非线性负阻电路，其电路如图1.6所示。其中每个运算放大器和3个电阻各构成一个负阻电路，两个负阻电路并联构成了非线性负阻电路。根据运算放大器的线性工作原理，按图1.6中各电阻的取值，可以推出从运算放大器正输入端看进去对地的电阻值。再考虑到运算放大器输出的饱和情况，可以得到每个负阻电路和并联后非线性负阻电路的U-

I特性曲线，如图1.7所示，图中横轴电压U和纵轴电流I、I1

和I2

如图1.6所示。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

从图1.7中可以看出，两个运算放大器构成的负阻电路的U-

I特性曲线都分为三段，中间段为线性负阻特性，而左右两段为线性正常电阻特性。由于电阻阻值的选择，I1的负阻区域约为±2V，而I2的负阻区域约为±11V。要注意的是I1和I2的负阻特性都是线性的，但是二者并联之后负阻变成了分段线性，总体非线性。I总体分为5段，两端由于运算放大器输出饱和形成了两段正常电阻特性区间，中间是分段线性、总体非线性的三段负阻区间，并且负阻区间的大小和I2相同。这总体非线性的负阻正是产生混沌现象的重要因素。此外，我们知道，LC并联电路可以和负阻构成负阻振荡器。一般来说，正常的电阻消耗能量，而负阻则可以看作是向外提供能量，用来维持LC振荡所消耗的能量。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

本实验的完整仿真电路如图1.8所示。它所用到的元件清单如下：电位器：Resistors—Variable—POT_HG-ACTIVE，总阻值按图中修改；电阻：Resistors—Generic—RES—DEVICE，阻值按图中修改；电容：Capacitors—Generic—CAP—DEVICE，电容值按图中修改；电感：Inductors—Generic—INDUCTOR—DEVICE，电感值按图中修改；运算放大器：OprationalAmplifiers—Dual—TL082—OPAMP。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

我们研究某一个物理量的时候，可以观察它随时间变化的关系（时域），也可以分析它的频率成分（频域），还可以分析它和另一个量之间相位的变化关系（相图）。将电路中O1和O2

输出送给示波器，并使示波器工作于X-

Y模式，观察这两路电压信号之间的相位关系。仿真时，要将图中两个运算放大器电源引脚（8和4）加上±15V电源。将电位器R的阻值调到最大值，慢慢连续减小R的阻值，示波器屏幕上将依次出现如图1.9所示的从左到右的相图，请自行分析这些相图所反映的物理规律。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

另外，请自行完成下面两个内容：用“GraphMode”按钮中的“DCSWEEP”功能得到图1.7所示非线性负阻U-I特性曲线。用示波器观察图1.8中O1和O2

两路电压信号随R变化的时域图。ISIS的其他元器件及其功能，我们将在单片机的仿真电路中继续学习。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

“DCSWEEP”提示：ISIS的“GraphMode”按钮中提供了很多的图表曲线功能，可以帮助分析电路中某些物理量随参数变化的关系。其中的“DCSWEEP”就特别适合分析图1.6的负阻电路，要用其得到图1.7所示的输入电压U和电流I、I1、I2

的关系曲线，需要如下操作：（1）首先在“GraphMode”按钮中选中“DCSWEEP”项，然后在编辑窗口中拖拽出适当大小的DCSWEEP图表。DCSWEEP图表的作用是让电路中的某个自变量和X轴相关联，让一个或多个因变量和Y轴相关联，然后让X轴自变量在一定范围内单调变化，从而得到自变量和因变量之间的关系曲线。上一页下一页返回1.2两个简单的仿真电路实例

（2）在“GeneratorMode”按钮中选中“DC”项，在图1.6中电压U的上输入端点处添加一个直流电压激励源。双击添加的直流电压激励源，弹出属性窗口，选中下面的“ManualEdits”选项，然后右边会出现“Properties”输入框，