Proteus仿真軟件在電類專業課程中的應用研究*

朱嶸濤，徐愛鈞

(1. 長江大學 工程技術學院，湖北 荊州 434020；2. 長江大學 電信學院，湖北 荊州 434023)

Proteus仿真軟件在電類專業課程中的應用研究*

朱嶸濤1，徐愛鈞2

(1. 長江大學 工程技術學院，湖北 荊州 434020；2. 長江大學 電信學院，湖北 荊州 434023)

針對目前Proteus仿真軟件在電類專業課程中應用研究單一的現狀和問題，提出應強調Proteus仿真軟件在電類專業課程中的相互融合與促進，提升學生對所學相關課程知識的理解和相互貫通，不再局限與某一門課程。在結合理論分析的基礎上，首先用Proteus對模擬電子技術中直流穩壓電路進行仿真，然后使用Proteus對數字電子技術中模數轉換電路進行硬件仿真，最后將直流穩壓電路和模數轉換電路應用到單片機系統中，使用Proteus軟件進行聯合仿真測試。實踐教學結果表明，這種方法能更好地幫助學生理解和認識所學電類專業課程，在很大程度上提高了學生對電類專業課程的興趣和積極性。

仿真；直流穩壓電路；模數轉換；單片機

0 引言

Proteus是全球著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖繪制、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。在教學領域，Proteus是一個巨大的教學資源，可以應用于：(1)模擬電路與數字電路的教學與實驗仿真；(2)單片機與嵌入系統軟件的教學與實驗仿真；(3) 微控制器系統的綜合實驗仿真；(4)創新實驗與畢業設計仿真。主流的電類專業有4個，分別是通信工程、電子信息工程、自動化和測控技術與儀器專業。電路分析基礎、模擬電子技術、數字電子技術和單片機微機原理與應用這4門課是電類4個專業的通用課程，且這4門課程都可以用Proteus進行仿真教學，因此本項目的研究具有較強的應用價值和推廣價值。

近5年來與Proteus相關的參考文獻[1-4]只對Proteus軟件在某一門電類專業課程上的應用做了研究，并沒有對Proteus軟件在電類專業課程中的應用進行一個系統化研究。因此本文有助于解決電類課程相對獨立的現象，使之成為一個相互補充、相互促進的有機整體，而不再是某一門具體課程，使學生能從一個更高的層面來學習電類專業的相關課程，也能讓學生理解為什么要學好這些課程和學好這些課程的用途。

1 直流穩壓電源仿真

直流穩壓電源是模擬電子技術課程中很重要的一個部分，很多數字芯片，如模數轉換芯片、數模轉換芯片和單片機正常工作時都需要穩定的±5 V的直流電壓供電。

直流穩壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成。電源變壓器將220 V、50 Hz的交流電壓變為所需的電壓信號，接著通過整流電路將交流電變成脈動的直流電壓，然后通過濾波電路濾除較大的紋波電壓，最后通過7805和7905穩壓芯片所組成的穩壓電路獲得所需的±5V穩定電壓[5]。

直流穩壓電路的仿真測試原理圖如圖1所示，經測試：當輸入220 V、50 Hz的交流電壓時，輸出端獲得的電壓為+5.01 V和-5.02 V，與理論值5 V的誤差分別為0.2%和0.4%，能較好地滿足常用數字芯片的供電要求。

圖1 直流穩壓電源仿真電路原理圖

圖4 ADC0808硬件仿真測試原理圖

2 ADC0808模數轉換電路仿真

2.1 ADC0808簡介

圖2 ADC0808內結構圖

ADC0809是數字電路中經典的A/D轉換器，具有8路模擬量輸入通道，有轉換起停控制，模擬輸入電壓范疇為0～+5 V，轉換時間為100 μs，它的內部結構如圖2所示。ADC0808的引腳功能描述如下：IN0～IN7為模擬采集通道；ADDA、ADDB和ADDC用于選擇8路模擬采樣通道的一路；ALE為輸入信號用于鎖存采樣通道，高電平有效；START為輸入信號用于啟動模數轉換，高電平有效；EOC為A/D轉換結束信號，高電平表示模數轉換結束，低電平表示模數轉換正在進行；OE為輸入信號，轉換結束時，若OE為高電平則允許轉換數據從D0～D7輸出；CLK為時鐘脈沖輸入端，要求時鐘頻率不高于640 kHz；VREF+、VREF-為基準電壓輸入端，典型值分別為+5 V和0 V；VCC接+5 V電源，GND接地[6]。

2.2 ADC0808時序圖和操作步驟

ADC0808的工作流程圖如圖3所示，故對ADC0808的操作分為以下4個步驟：

(1)輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中，經地址譯碼器譯碼從8路模擬通道中選通一路模擬量送到比較器；

(2)送START一高脈沖，START的上升沿使逐次逼近寄存器復位，下降沿啟動A/D轉換，并使EOC信號為低電平；

(3)當轉換結束時，將轉換的結果送入到輸出三態鎖存器，并使EOC信號回到高電平，通知CPU已轉換結束；

(4)當CPU執行一讀數據指令，使OE為高電平，則從輸出端D0～D1讀出數據。

2.3 ADC0808的硬件測試

ADC0808的硬件仿真測試原理圖如圖4所示，ADDA、ADDB和ADDC均接地表示選中模擬采樣通道0，具體測試步驟如下：(1)首先松開ALE按鍵，使ALE引腳為高電平鎖存模擬通道0，接著松開START按鍵，然后閉合ALE鍵和START按鍵，使START產生一個高脈沖來啟動A/D轉換；(2)當看到EOC引腳由低電平變成高電平時，表示A/D轉換結束，但此時并沒有對應的發光二極管點亮，因為OE還沒有變成高電平；(3)松開OE按鍵，使OE引腳為高電平，會看到與通道0電壓值相對應的發光二極管都會被點亮。

圖3 ADC0808工作時序圖

理論上A/D采樣的電壓值與輸出引腳的之間的關系為：模擬采樣電壓值=5*A/D轉換結果/255。

首先將滑動變阻器調至電壓表示數為0 V的位置，然后按照硬件測試的步驟，會得到與0 V電壓值對應的A/D轉換的結果，記錄在表1中，重復上述的步驟，分別測出電壓表示數為1.25 V、2.5 V、3.75 V和5 V對應的A/D轉換的結果，記錄在表1中。仿真測試的結果與理論分析結果一致，說明硬件測試的方法和步驟是正確的。

表1 模擬采樣電壓值與A/D轉換結果

3 數據采集系統仿真

多路數據采集系統由直流穩壓電源、單片機最小系統和ADC0808模數轉換三個部分組成。直流穩壓電源是模擬電子技術中課程中的內容，單片機最小系統是單片機原理與應用課程中的內容，ADC0808模數轉換模塊是數字電子技術課程中的內容。從這一個小的方面就可以看出，電類專業的很多課程是相鋪相成、互相促進、有機協調的一個整體，只是不同課程的側重點不同而已。ADC0808硬件測試就是為了單片機編程服務的，只要理解按鍵的兩種狀態就可以了，如按鍵按下表示低電平，按鍵松開表示高電平。單片機的I/O引腳正好也只有兩種狀態，即高電平和低電平，那么就可以用單片機的I/O引腳來替換按鍵，通過編程就可使對應的引腳輸出高電平或低電平。

數據采集系統的仿真電路原理圖如圖5所示，直流穩壓電源為單片機和ADC0808的正常工作提供穩定的直流穩定電壓。

圖5 數據采集系統仿真電路原理圖

數據采集主程序如下[7]：

void main()

{uint ad;

while(1)

{

ADDC=0;ADDB=0;ADDA=0;

//選擇通道0

ALE=1;START=1;

//將引腳置高電平

Delay20us();

//延時用于鎖存采樣通道

ALE=0;START=0;

//將引腳置高電平

while(!EOC);

//EOC引腳為高電平，表示轉換結束

OE=1;

//將OE引腳置高電平

ad=P1;

P0=ad;

OE=0;

//將OE置低電平,禁止數據輸出

}

}

經仿真測試，數據采集系統仿真的測試結果與表1的結果相同，說明先對數字芯片進行硬件測試有利于單片機程序的編寫，也加深了學生對數字芯片的認識。當自己不會寫單片機程序或者寫的程序沒有出現預期的結果時，可以先從數字芯片硬件測試入手查找問題的所在。

4 結論

在電類專業的很多課程的教學中，教師們會經常使用Proteus仿真軟件，這樣有利于加深學生對所學知識的理解，但更重要的一點在于要強調所學的知識在電類專業的其他課程中會用到，并且還可以使用Proteus仿真軟件進行聯合仿真測試，這樣學生心理就會明白Proteus仿真軟件不僅能幫助自己理解現在所學的課程，還能幫助自己學習電類專業的其他課程。

實踐證明：本項目的研究不僅提高了學生的學習興趣和課程的教學質量，還讓學生對電類專業的課程有了一個更高層次的認識，同時也解決了電類專業課程相對獨立的現象，使之成為一個有機高效的整體。

[1] 王海燕，楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2012,31(5):88-91.

[2] 侯向鋒，周兆豐.Proteus在模擬電子技術教學中的應用[J].湖北師范學院學報(自然科學版),2012,32(4):114-118.

[3] 王爾申，龐濤，李鵬，等.Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J].實驗室技術與管理,2013,30(3):78-81.

[4] 胡中玉，岳強，任杰，等.基于Proteus仿真的電工電子課程教學創新[J].實驗室技術與管理,2016,33(4):128-130.

[5] 康華光.電子技術基礎模擬部分(第六版)[M].北京:高等教育出版社,2013.

[6] 畢滿清.電子技術實驗與課程設計(第三版)[M].北京: 機械工業出版社,2011.

[7] 徐愛鈞，徐陽.單片機原理與應用——基于Proteus虛擬仿真技術[M].北京: 機械工業出版社,2013.

The application research of Proteus simulation software in the electrical specialized courses

Zhu Rongtao1，Xu Aijun2

(1. College of Technology & Enginerring, Yangtze University, Jingzhou 434020,China;2.Electronics & Information School, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

Against to the singularity actuality and problem of Proteus simulation application research in the electrical specialized courses, we have offered proposals to emphasize the effect of merge and advance between the Proteus simulation software and electrical specialized courses, promote student’s understanding of taught courses and mutual penetration, and Proteus simulation software is not confined to one certain course.On the basis of thoery analysis, firstly, we simulate the direct current regulator in analog electronic technology by using Proteus. Secondly, we simulate the analog to digital conversion circuit in the digital electronic technology by using Proteus.Finally,direct current regulator and analog to digital conversion circuit are applied to the single chip microcomputer system and then the system will be simulated by using Proteus.The practice teaching results show that the teaching method can help student to understand electricity specialized courses and improve the students interest and motivation of electricity specialized courses.

simulation;direct current regulator;analog to digital conversion;single chip microcomputer

長江大學工程技術學院教學研究基金項目(2016JY07)

TP368.1;TN79;TN710-4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.028

朱嶸濤，徐愛鈞.Proteus仿真軟件在電類專業課程中的應用研究[J].微型機與應用，2017,36(8)：88-91.

2016-10-28)

朱嶸濤(1982-)，通信作者，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：單片機與智能儀器儀表。E-mail:181804457@qq.com。

徐愛鈞(1956-)，男，本科，教授，主要研究方向：模糊控制理論與應用。

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