Proteus在模擬電子設計中的仿真應用研究

胡 輝

(商丘職業技術學院 機電工程系，河南 商丘 476100)

引言

Proteus 是電子設計自動化過程中常用的一款仿真工具，可以實現從概念設計到電子產品仿真的整個過程.其在模擬電子技術、數字電子技術、單片機設計技術中應用比較廣泛，受到廣大電子設計技術人員的青睞[2].前人在進行Proteus電子設計的應用時，多是對單片機電路進行代碼設計及仿真分析，而在進行模擬電子設計時，不能很熟練有效地進行仿真分析[1].本文通過對Proteus 7.8中的元件和儀器儀表的使用進行研究和剖析，將模擬電子電路中的整流濾波電路、射極跟隨器、交流反相放大電路、OCL電路等四種電路進行仿真，根據四種電路的功能特點，利用儀器儀表在仿真電路中檢測出數據，然后根據數據對電路進行分析，并闡述采用頻率分析、交流掃描分析和傅立葉分析的方法.

1 全波整流與濾波電路仿真分析

1.1 繪制整流濾波電路

整流濾波電路主要由220 V交流輸入電路及整流電路、濾波電路、負載電路等組成.打開ISIS 7 Professional，單擊按鈕P挑選并添加元件(可用關鍵詞搜索法查找元件)，如圖1所示.

按圖2所示連接電路，并按圖3所示將正弦交流信號源V1設置為220 V，50 Hz；電容器C1設置為10 μF(雙擊元件即可彈出元件編輯對話框).其它不需設置，用系統默認參數.

圖1 調用元件圖2 整流濾波電路仿真圖

在Proteus主界面左邊模式選擇工具欄中單擊虛擬儀表模式圖標，從器件工具列表窗口中選擇示波器(OSCILLOSCOPE)、交流電壓表(AC VOLTMETER)、直流電壓表(DC VOLTMETER)、直流電流表(DC AMMETER)、交流電流表(AC AMMETER)，分別將它們連接到電路對應位置，M1-M5 為表的編號，也可用默認方式不要編號.在連接好的導線上直接放置元件即可將元件串入導線，也可以先畫好導線，再串入元件.

圖3 參數設置

1.2 電路波形測試

單擊運行(Play)按鈕或按快捷鍵F12 運行電路，在出現的示波器面板中，用鼠標調節對應通道圓盤狀的輸入衰減旋鈕和滾輪狀的位置(Position)旋鈕，接通或斷開S1，即可呈現圖4和圖5所示波形圖.通斷開關的方法除了用鼠標直接單擊外，也可以把光標放在開關上當其變為手型后，直接按鍵盤上的空格鍵或回車鍵.如果不小心關閉了示波器，可以在仿真運行狀態下右擊示波器圖標，在右鍵菜單中選擇最后一項Digital oscilloscope即可復原.單擊停止按鈕或者連續兩次按鍵盤上的 Esc 鍵即可停止程序運行.

運行電路，接通或斷開開關S1，可觀察電壓表或電流表的示數及它們示數間的比例關系.雙擊電壓表或電流表，在彈出的屬性對話框中，可以更改它的顯示單位.如圖6所示，電流表有Amps(安)、Milliamps(毫安)、Microamps(微安)三個級別，其與電壓表量程級別類似.斷開 D1 或 D2 的連接，變為半波整流，可觀察在 S1 接通或斷開時的波形及變化，并同時觀察各表的示數.也可改變 C1 容量或 R1 的阻值，重做上述觀察.

圖4 開關S1斷開時示波器波形圖 圖5 開關S1接通時示波器波形圖 圖6 更改電流表顯示單位

2 射極跟隨器電路仿真分析

2.1 電路圖繪制

按圖7所示連接電路.連接時注意：在放置或移動元件時，最好使相互連接的兩個引腳端頭相距兩個柵格以上(兩個柵格為最小間距)，這樣可使元件布局緊湊，同時又可以在連線中間引出導線連接其它元件，如圖7中的RS與SW1的連接等.在左邊模式選擇工具欄中單擊虛擬儀表模式圖標，在器件工具列表窗口中選擇信號發生器(SIGNAL GENERATOR)、示波器(OSCILLOSCOPE)和交流電壓表(AC VOLTMETER)，并連入電路.

圖7 射極跟隨器仿真電路

2.2 射極跟隨器仿真測試

射極跟隨器仿真測試開關的控制方法有兩種：一是鼠標單擊；二是把光標放在開關上敲擊空格鍵、回車鍵或翻頁鍵.電位器的調節方法有三種：一是光標放電位器上按住鼠標左鍵上下移動(電位器如果水平放置則左右移動)；二是光標移到電位器旁箭頭處，出現“+”或“-”符號后單擊；三是光標放電位器上按翻頁鍵Page Up或Page Down.

電路連好后，使SW1連接C1，SW2連接空位即斷開RL的連接，通電仿真后會出現信號發生器控制面板，按面板上旋鈕所指示位置將信號的頻率(Frequence)調為1 kHz不變，幅度(Amplitude)調為10 V左右.信號發生器初次使用時，默認的輸出就是正弦波，不需要調節.信號發生器控制面板如圖8所示.

圖8 信號發生器控制面板

反復調節RV1及信號發生器的信號幅度，直到在示波器上得到一個最大不失真波形，觀察此時電壓表的示數.如果波形是雙向失真，說明信號幅度太大，應將信號發生器輸出幅度調小；如果出現飽和失真，應將RV1阻值調大；如果出現截止失真，應將RV1阻值調小.失真波形如圖9所示.

圖9 失真波形

如圖10所示，選中示波器面板中的光標(Cursors)按鈕，分別單擊波谷和波峰，可獲得測量數據，計算可得輸出波形和輸入波形的峰-峰值，將兩個數值相比即是電壓放大倍數.要取消測量數據，只需在示波器屏幕上右擊并選擇Clear All Cursors即可.

輸入電阻的測量(替代法)，接上負載電阻RL，并保證輸出波形不失真.當開關SW1連接C1時，記下電壓表的讀數；再將開關SW1轉接到RV2，并調節RV2，使電壓表的讀數仍為原來值，則此時RV2的阻值即為輸入電阻Ri的值.

輸出電阻的測量(換算法)，在輸入端加一固定信號電壓，并保證輸出波形不失真.分別測量RL在斷開和接通時的輸出電壓VO和VL，代入公式RO=(VO/VL-1)RL可計算出輸出電阻RO.

圖10 波峰和波谷的測量

3 交流反相放大電路仿真分析

3.1 電路圖繪制

按圖11所示創建仿真實驗電路.參照前兩個任務，自己挑選和添加所使用的元件.in為交流信號源，在信號發生器模式(Generator Mode)中為SINE，其Amplitude(幅度)設置為1 V，Frequence(頻率)設置為1 kHz，如圖12所示.in也可用默認名稱C1(-)，取消Hide properties前的對勾，可顯示信號源的屬性.out是電壓探針，也可用默認名稱C2(-)[3].

電源取自終端接口模式(Terminals Mode)中的POWER，在String窗口中分別輸入+15 V和-15 V即可.

圖11 交流反相放大電路

其它參數按圖12中數據進行設置.單擊左側工具欄中的Graph Mode(圖表模式)圖標，然后在圖表模式列表中選擇FREQUENCY選項，在圖紙上就可以拖畫出一個頻率分析圖框.先后單擊選中out和in，然后再將其拖拉到分析圖框中的左側位置作為縱坐標及參考標準，最后再將out 拖拉到分析圖框中的右側位置做相位分析縱坐標.按下空格鍵進行模擬，即可得到模擬分析結果，如圖13所示.

圖12 正弦信號源屬性設置圖13 頻率分析結果

雙擊頻率分析圖框的綠色標題欄，可以將分析圖窗口單獨顯示或最大化，以便進行各種細節的分析，如測量轉折頻率等，如圖14所示.

圖14 頻率分析結果測量

注意，當關閉頻率分析仿真結果窗口后，由于軟件與系統的兼容問題，原來的電路圖可能會蕩然無存.此時，需執行一次撤銷Undo Changes操作(快捷鍵 Ctrl+Z)再滾動一下鼠標滾輪，對電路放大或縮小一下即可恢復正常.

仿照上述步驟，同樣可進行交流掃描分析，只是要在圖表模式列表中選擇AC SWEEP 選項，然后雙擊拖拉出的矩形框，在出現的編輯對話框中設置好開始值(Start value)、結束值(Stop value)和步數(No. steps)其他用默認值，如圖15所示.

關閉交流掃描分析設置對話框，雙擊電路中的C1或其他要分析的元件，將其容量或阻值等改為…*X，注意X要大寫，以保證其與交流掃描分析設置對話框中一致，如圖16所示.

圖15 交流掃描分析設置圖16 元件參數設置

按空格鍵即可得到模擬分析結果，如圖17所示.

圖17 交流掃描分析模擬結果

4 OCL功率放大器電路仿真分析

4.1 電路圖繪制

按照圖18所示創建OCL功率放大器原理電路.信號源為5 V、1 kHz的正弦信號，Q1(E)和Q2(E)分別為電流探針和電壓探針直接放在導線上的結果.

電流探針在放置時可按小鍵盤上的“+” 或“-”鍵，選擇合適的電流方向，或放置好后右鍵單擊探針，在右鍵菜單中選擇相應操作，使探針電流方向合適，否則極易出錯.

運行仿真時，調節RV1和RV2，即可觀察兩個探針的示值變化和示波器波形的變化.電位器調節可按下述方法進行：先將RV1調到最小，再使RV2從最小到最大；然后再將RV1調到最大，之后再調節RV2.

圖18 OCL 功率放大器原理電路

在圖表模式列表中選擇FOURIER(傅立葉)選項，在圖紙上拖畫出一個傅立葉分析圖框.將電壓探針Q1(E)拖拉到分析圖框中的左側，按空格鍵可得到傅立葉分析結果，由此結果可檢測電路的諧波失真情況.

調節電位器RV1 和RV2，并在調節后按空格鍵進行傅立葉分析.圖19所示是RV1和RV2調節到最小時的分析結果.

注意，傅立葉分析圖的橫坐標默認值是100 kHz，如要修改，可雙擊分析圖，在彈出的傅立葉分析圖編輯對話框中，修改Max Frequency窗口中的數值即可.圖19中的橫坐標數值是20 kHz.

圖19 傅立葉分解結果

設置正弦信號為 5V，在示波器控制面板中，將Horizontal處的Source按鈕撥到A，使示波器處于B/A模式，重復進行電位器的調節，在示波器中可看到不同的波形.典型的三種波形如圖20所示.

圖20 示波器的B/A模式顯示的三種波形

5 結語

通過Proteus在模擬電子設計課程中的幾種典型仿真應用，在了解電路的原理及設計思路后，可以充分認識到Proteus在仿真模擬電路設計時帶來的時效性；有效節約了電子設計的周期，用正確的方法去分析模擬電子電路，從而提高電子設計自動化的效率[4].