Proteus在模拟电子设计中的仿真应用研究(3) - 电子设计工程杂志社投稿

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Proteus在模拟电子设计中的仿真应用研究(3)

作者:

关键词:

摘要：

图20示波器的B/A模式显示的三种波形

5 结语

通过Proteus在模拟电子设计课程中的几种典型仿真应用，在了解电路的原理及设计思路后，可以充分认识到Proteus在仿真模拟电路设计时带来的时效性；有效节约了电子设计的周期，用正确的方法去分析模拟电子电路，从而提高电子设计自动化的效率[4].

[1] 汪岚.基于Proteus仿真的《模拟电子技术》实验教学新方法[J].荆楚理工学院学报, 2010(11):69-74.

[2] 苏玉萍. Proteus仿真软件在电子设计实验中的应用[J].电子技术与软件工程，2016(17):79.

[3] 郭亚琴，王正群，秦燕.Proteus软件在电子产品设计与制作中的应用[J].实验室研究与探索，2013(12):101-104.

[4] 刘勇, 李海. 基于Proteus的电子基础课程实践教学模式改革[J]. 赤峰学院学报(自然科学版), 2013(2):239-240.

引言Proteus 是电子设计自动化过程中常用的一款仿真工具，可以实现从概念设计到电子产品仿真的整个过程.其在模拟电子技术、数字电子技术、单片机设计技术中应用比较广泛，受到广大电子设计技术人员的青睐[2].前人在进行Proteus电子设计的应用时，多是对单片机电路进行代码设计及仿真分析，而在进行模拟电子设计时，不能很熟练有效地进行仿真分析[1].本文通过对Proteus 7.8中的元件和仪器仪表的使用进行研究和剖析，将模拟电子电路中的整流滤波电路、射极跟随器、交流反相放大电路、OCL电路等四种电路进行仿真，根据四种电路的功能特点，利用仪器仪表在仿真电路中检测出数据，然后根据数据对电路进行分析，并阐述采用频率分析、交流扫描分析和傅立叶分析的方法.1 全波整流与滤波电路仿真分析1.1 绘制整流滤波电路整流滤波电路主要由220 V交流输入电路及整流电路、滤波电路、负载电路等组成.打开ISIS 7 Professional，单击按钮P挑选并添加元件(可用关键词搜索法查找元件)，如图1所示.按图2所示连接电路，并按图3所示将正弦交流信号源V1设置为220 V，50 Hz；电容器C1设置为10 μF(双击元件即可弹出元件编辑对话框).其它不需设置，用系统默认参数.图1 调用元件图2 整流滤波电路仿真图在Proteus主界面左边模式选择工具栏中单击虚拟仪表模式图标，从器件工具列表窗口中选择示波器(OSCILLOSCOPE)、交流电压表(AC VOLTMETER)、直流电压表(DC VOLTMETER)、直流电流表(DC AMMETER)、交流电流表(AC AMMETER)，分别将它们连接到电路对应位置，M1-M5 为表的编号，也可用默认方式不要编号.在连接好的导线上直接放置元件即可将元件串入导线，也可以先画好导线，再串入元件.图3参数设置1.2 电路波形测试单击运行(Play)按钮或按快捷键F12 运行电路，在出现的示波器面板中，用鼠标调节对应通道圆盘状的输入衰减旋钮和滚轮状的位置(Position)旋钮，接通或断开S1，即可呈现图4和图5所示波形图.通断开关的方法除了用鼠标直接单击外，也可以把光标放在开关上当其变为手型后，直接按键盘上的空格键或回车键.如果不小心关闭了示波器，可以在仿真运行状态下右击示波器图标，在右键菜单中选择最后一项Digital oscilloscope即可复原.单击停止按钮或者连续两次按键盘上的 Esc 键即可停止程序运行.运行电路，接通或断开开关S1，可观察电压表或电流表的示数及它们示数间的比例关系.双击电压表或电流表，在弹出的属性对话框中，可以更改它的显示单位.如图6所示，电流表有Amps(安)、Milliamps(毫安)、Microamps(微安)三个级别，其与电压表量程级别类似.断开 D1 或 D2 的连接，变为半波整流，可观察在 S1 接通或断开时的波形及变化，并同时观察各表的示数.也可改变 C1 容量或 R1 的阻值，重做上述观察.图4开关S1断开时示波器波形图图5开关S1接通时示波器波形图图6更改电流表显示单位2 射极跟随器电路仿真分析2.1 电路图绘制按图7所示连接电路.连接时注意：在放置或移动元件时，最好使相互连接的两个引脚端头相距两个栅格以上(两个栅格为最小间距)，这样可使元件布局紧凑，同时又可以在连线中间引出导线连接其它元件，如图7中的RS与SW1的连接等.在左边模式选择工具栏中单击虚拟仪表模式图标，在器件工具列表窗口中选择信号发生器(SIGNAL GENERATOR)、示波器(OSCILLOSCOPE)和交流电压表(AC VOLTMETER)，并连入电路.图7射极跟随器仿真电路2.2 射极跟随器仿真测试射极跟随器仿真测试开关的控制方法有两种：一是鼠标单击；二是把光标放在开关上敲击空格键、回车键或翻页键.电位器的调节方法有三种：一是光标放电位器上按住鼠标左键上下移动(电位器如果水平放置则左右移动)；二是光标移到电位器旁箭头处，出现“+”或“-”符号后单击；三是光标放电位器上按翻页键Page Up或Page Down.电路连好后，使SW1连接C1，SW2连接空位即断开RL的连接，通电仿真后会出现信号发生器控制面板，按面板上旋钮所指示位置将信号的频率(Frequence)调为1 kHz不变，幅度(Amplitude)调为10 V左右.信号发生器初次使用时，默认的输出就是正弦波，不需要调节.信号发生器控制面板如图8所示.图8信号发生器控制面板反复调节RV1及信号发生器的信号幅度，直到在示波器上得到一个最大不失真波形，观察此时电压表的示数.如果波形是双向失真，说明信号幅度太大，应将信号发生器输出幅度调小；如果出现饱和失真，应将RV1阻值调大；如果出现截止失真，应将RV1阻值调小.失真波形如图9所示.图9失真波形如图10所示，选中示波器面板中的光标(Cursors)按钮，分别单击波谷和波峰，可获得测量数据，计算可得输出波形和输入波形的峰-峰值，将两个数值相比即是电压放大倍数.要取消测量数据，只需在示波器屏幕上右击并选择Clear All Cursors即可.输入电阻的测量(替代法)，接上负载电阻RL，并保证输出波形不失真.当开关SW1连接C1时，记下电压表的读数；再将开关SW1转接到RV2，并调节RV2，使电压表的读数仍为原来值，则此时RV2的阻值即为输入电阻Ri的值.输出电阻的测量(换算法)，在输入端加一固定信号电压，并保证输出波形不失真.分别测量RL在断开和接通时的输出电压VO和VL，代入公式RO=(VO/VL-1)RL可计算出输出电阻RO.图10波峰和波谷的测量3 交流反相放大电路仿真分析3.1 电路图绘制按图11所示创建仿真实验电路.参照前两个任务，自己挑选和添加所使用的元件.in为交流信号源，在信号发生器模式(Generator Mode)中为SINE，其Amplitude(幅度)设置为1 V，Frequence(频率)设置为1 kHz，如图12所示.in也可用默认名称C1(-)，取消Hide properties前的对勾，可显示信号源的属性.out是电压探针，也可用默认名称C2(-)[3].电源取自终端接口模式(Terminals Mode)中的POWER，在String窗口中分别输入+15 V和-15 V即可.图11交流反相放大电路其它参数按图12中数据进行设置.单击左侧工具栏中的Graph Mode(图表模式)图标，然后在图表模式列表中选择FREQUENCY选项，在图纸上就可以拖画出一个频率分析图框.先后单击选中out和in，然后再将其拖拉到分析图框中的左侧位置作为纵坐标及参考标准，最后再将out 拖拉到分析图框中的右侧位置做相位分析纵坐标.按下空格键进行模拟，即可得到模拟分析结果，如图13所示.图12 正弦信号源属性设置图13 频率分析结果双击频率分析图框的绿色标题栏，可以将分析图窗口单独显示或最大化，以便进行各种细节的分析，如测量转折频率等，如图14所示.图14频率分析结果测量注意，当关闭频率分析仿真结果窗口后，由于软件与系统的兼容问题，原来的电路图可能会荡然无存.此时，需执行一次撤销Undo Changes操作(快捷键 Ctrl+Z)再滚动一下鼠标滚轮，对电路放大或缩小一下即可恢复正常.仿照上述步骤，同样可进行交流扫描分析，只是要在图表模式列表中选择AC SWEEP 选项，然后双击拖拉出的矩形框，在出现的编辑对话框中设置好开始值(Start value)、结束值(Stop value)和步数(No. steps)其他用默认值，如图15所示.关闭交流扫描分析设置对话框，双击电路中的C1或其他要分析的元件，将其容量或阻值等改为…*X，注意X要大写，以保证其与交流扫描分析设置对话框中一致，如图16所示.图15 交流扫描分析设置图16 元件参数设置按空格键即可得到模拟分析结果，如图17所示.图17交流扫描分析模拟结果4 OCL功率放大器电路仿真分析4.1 电路图绘制按照图18所示创建OCL功率放大器原理电路.信号源为5 V、1 kHz的正弦信号，Q1(E)和Q2(E)分别为电流探针和电压探针直接放在导线上的结果.电流探针在放置时可按小键盘上的“+” 或“-”键，选择合适的电流方向，或放置好后右键单击探针，在右键菜单中选择相应操作，使探针电流方向合适，否则极易出错.运行仿真时，调节RV1和RV2，即可观察两个探针的示值变化和示波器波形的变化.电位器调节可按下述方法进行：先将RV1调到最小，再使RV2从最小到最大；然后再将RV1调到最大，之后再调节RV2.图18OCL功率放大器原理电路在图表模式列表中选择FOURIER(傅立叶)选项，在图纸上拖画出一个傅立叶分析图框.将电压探针Q1(E)拖拉到分析图框中的左侧，按空格键可得到傅立叶分析结果，由此结果可检测电路的谐波失真情况.调节电位器RV1 和RV2，并在调节后按空格键进行傅立叶分析.图19所示是RV1和RV2调节到最小时的分析结果.注意，傅立叶分析图的横坐标默认值是100 kHz，如要修改，可双击分析图，在弹出的傅立叶分析图编辑对话框中，修改Max Frequency窗口中的数值即可.图19中的横坐标数值是20 kHz.图19傅立叶分解结果设置正弦信号为 5V，在示波器控制面板中，将Horizontal处的Source按钮拨到A，使示波器处于B/A模式，重复进行电位器的调节，在示波器中可看到不同的波形.典型的三种波形如图20所示.图20示波器的B/A模式显示的三种波形5 结语通过Proteus在模拟电子设计课程中的几种典型仿真应用，在了解电路的原理及设计思路后，可以充分认识到Proteus在仿真模拟电路设计时带来的时效性；有效节约了电子设计的周期，用正确的方法去分析模拟电子电路，从而提高电子设计自动化的效率[4].参考文献：[1] 汪岚.基于Proteus仿真的《模拟电子技术》实验教学新方法[J].荆楚理工学院学报, 2010(11):69-74.[2] 苏玉萍. Proteus仿真软件在电子设计实验中的应用[J].电子技术与软件工程，2016(17):79.[3] 郭亚琴，王正群，秦燕.Proteus软件在电子产品设计与制作中的应用[J].实验室研究与探索，2013(12):101-104.[4] 刘勇, 李海. 基于Proteus的电子基础课程实践教学模式改革[J]. 赤峰学院学报(自然科学版), 2013(2):239-240.

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