《電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化》課件第1章

第1章Proteus概述1.1Proteus的功能與特點(diǎn)1.2Proteus仿真環(huán)境1.3ProteusISIS工作界面的基本元素1.4創(chuàng)建自己的仿真電路1.5Proteus仿真分析入門(mén)本章小結(jié)

本章將系統(tǒng)介紹Proteus的仿真環(huán)境和快速入門(mén)的有關(guān)知識(shí)。

文中首先概括了Proteus的功能與特點(diǎn)；然后詳細(xì)介紹了Proteus的仿真環(huán)境，包括Proteus的工作界面、菜單、工具欄等基本元素；接著簡(jiǎn)單介紹了該軟件快速入門(mén)的有關(guān)知識(shí)，包括仿真電路的創(chuàng)建、仿真分析入門(mén)等；最后以流水燈為例，完整介紹了從電路設(shè)計(jì)、軟件編程與調(diào)試、軟硬件聯(lián)調(diào)直至PCB版圖生成的整個(gè)過(guò)程。內(nèi)容提要

Proteus是一款集單片機(jī)仿真與SPICE分析于一身的EDA仿真軟件，1989年由英國(guó)Labcenter公司研發(fā)成功，經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，現(xiàn)已成為EDA市場(chǎng)上性價(jià)比高、性能強(qiáng)的一款電子電路與單片機(jī)仿真軟件。2005年P(guān)roteus由廣州風(fēng)標(biāo)公司代理引入中國(guó)市場(chǎng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高校的電子技術(shù)與單片機(jī)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)以及電子公司的產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)中。

該軟件將單片機(jī)模型、混合電路仿真、高級(jí)圖形仿真、虛擬儀器、DLL(動(dòng)態(tài)器件庫(kù))、外設(shè)模型、單片機(jī)軟仿真器、第三方的編譯器和調(diào)試器等有機(jī)結(jié)合在一起，真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖設(shè)計(jì)、電路分析與仿真到單片機(jī)代碼調(diào)試及仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證，再到形成PCB版圖的整個(gè)過(guò)程。

1.1.1Proteus的功能

ProteusISIS是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路。該軟件的功能包括：

1.1Proteus的功能與特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。它具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成系統(tǒng)的仿真、RS232接口的動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器仿真、SPI調(diào)試器仿真、鍵盤(pán)和LCD仿真等功能；有各種虛擬儀器可供仿真調(diào)試使用，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。

支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系列、ARM系列以及各種外圍芯片。

提供軟件調(diào)試功能。在系統(tǒng)仿真時(shí)該軟件具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，可以觀察各個(gè)變量、寄存器、內(nèi)部RAM的當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilC51μVision3軟件。

具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。利用軟件提供的元器件庫(kù)可繪制模擬電路、數(shù)字電路、模擬與數(shù)字混合電路、單片機(jī)應(yīng)用電路(在一個(gè)仿真電路工作區(qū)可同時(shí)放置多個(gè)單片機(jī)芯片)。

總之，該軟件是一款集單片機(jī)仿真和SPICE分析于一身的EDA軟件，功能極其強(qiáng)大。就單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真而言，Proteus軟件具有獨(dú)一無(wú)二的地位。1.1.2Proteus的特點(diǎn)

Proteus的主要特點(diǎn)如下：

支持ARM7、PIC、AVR、HC11以及8051系列的微處理器CPU模型，且更多被支持的模型正在開(kāi)發(fā)中，更新信息可參見(jiàn)Proteus網(wǎng)頁(yè)。

交互外設(shè)模型有LCD、RS232終端、通用鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、按鈕、LED等。

強(qiáng)大的調(diào)試功能，如訪問(wèn)寄存器與內(nèi)存、設(shè)置斷點(diǎn)和單步運(yùn)行模式。

支持如IAR、Keil、MPLAB和Hitech等開(kāi)發(fā)工具的源碼C和匯編的調(diào)試。

一鍵“make”特性，按一個(gè)鍵即可完成編譯與仿真操作。

內(nèi)置超過(guò)6000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模型，完全兼容制造商提供的SPICE模型。

基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPICE3F5混合模型電路仿真器。

14種虛擬儀器：示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、規(guī)程分析儀等。

高級(jí)仿真包含強(qiáng)大的基于圖形的分析功能：模擬、數(shù)字和混合瞬時(shí)圖形分析、頻率特性分析、噪聲分析、失真分析、傅立葉分析以及音頻分析等。

模擬信號(hào)發(fā)生器包括直流信號(hào)、正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)、分段線性電壓源、音頻信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、單頻FM等；數(shù)字信號(hào)發(fā)生器包括尖脈沖、脈沖、時(shí)鐘和碼流等。

集成ProteusPCB設(shè)計(jì)，形成完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

ProteusVSM還能提供擴(kuò)展的調(diào)試功能，包括在匯編或C等高級(jí)語(yǔ)言下設(shè)置斷點(diǎn)、單步和顯示變量。VSM架構(gòu)允許用戶附加動(dòng)態(tài)模型，很多類型的動(dòng)態(tài)模型無(wú)需編程就可創(chuàng)建。開(kāi)發(fā)者將在一個(gè)文件化的界面下編寫(xiě)自己的模型(類似WindowsDLL)，這些模型既能實(shí)現(xiàn)純粹電子特征，又能組合圖形化特征，因此幾乎所有特定外設(shè)的應(yīng)用都能被仿真。

Proteus是一個(gè)集成的仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境，集元器件庫(kù)和虛擬儀器于一體。用戶可以在Proteus環(huán)境中進(jìn)行仿真電路的創(chuàng)建、虛擬儀器的添加、仿真參數(shù)的設(shè)置、電路的仿真分析，并在最后生成所需要的PCB版圖。用戶在應(yīng)用ProteusISIS仿真軟件時(shí)，其仿真環(huán)境采用默認(rèn)設(shè)置即可，也可根據(jù)需要設(shè)置自己的仿真環(huán)境。

1.2Proteus仿真環(huán)境

ProteusISIS的工作界面如圖1-1所示。它的基本元素主要包括菜單欄、工具欄、仿真電路編輯區(qū)等。工作界面中的工具欄、視圖工具欄及其他工具欄均可在菜單中找到。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)1.3.2節(jié)。圖1-1ProteusISIS的工作界面

1.3.1菜單

1.?File菜單

File菜單如圖1-2所示。它包含了常規(guī)的文件操作命令。

2.?View菜單

View菜單如圖1-3所示。它可以實(shí)現(xiàn)仿真電路工作區(qū)柵格、坐標(biāo)、工具欄的顯示/隱藏以及電路圖的放大/縮小等功能。1.3ProteusISIS工作界面的基本元素圖1-2File菜單圖1-3View菜單

3．Edit菜單

Edit菜單如圖1-4所示。圖1-4Edit菜單

4．Tools菜單

Tools菜單如圖1-5所示。它可以實(shí)現(xiàn)仿真電路的連線標(biāo)注、元器件的整體編號(hào)(如仿真電路所有電容的整體按序編號(hào))、電氣規(guī)則檢查，還可將仿真電路的網(wǎng)表文件直接導(dǎo)出至ARES中(生成PCB版圖)。尤其是使用屬性標(biāo)注工具命令 ，可實(shí)現(xiàn)電路連線的自動(dòng)按序標(biāo)注(如單片機(jī)端口連線的按序標(biāo)注)、元器件數(shù)值的整體標(biāo)注功能(如多個(gè)相同電阻阻值的整體標(biāo)注)。圖1-5Tools菜單

5．Design菜單

Design菜單如圖1-6所示。它可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件屬性的編輯、設(shè)計(jì)頁(yè)屬性的編輯等功能。

6．Graph菜單

Graph菜單如圖1-7所示。在對(duì)電路進(jìn)行圖表分析時(shí)，利用Graph菜單提供的命令可實(shí)現(xiàn)編輯圖表分析參數(shù)、添加分析結(jié)點(diǎn)、運(yùn)行圖表仿真等操作。圖1-6Design菜單圖1-7Graph菜單

7．Source菜單

Source菜單如圖1-8所示。Proteus軟件提供了單片機(jī)源程序的編輯工具，Source菜單可創(chuàng)建單片機(jī)源程序文件，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)源程序的輸入與編輯、源程序編譯等功能。

注：對(duì)于簡(jiǎn)單的程序，可借用該編輯工具(該編輯工具對(duì)源程序中的命令字、編號(hào)等未給出特殊標(biāo)注)，而對(duì)較復(fù)雜的程序，最好借用第三方軟件(如Keil)完成編輯與編譯工作。圖1-8Source菜單

8．Debug菜單

Debug菜單如圖1-9所示。在單片機(jī)控制系統(tǒng)交互仿真時(shí)，可使用Debug菜單提供的命令實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)試，并獲得調(diào)試記錄及CPU寄存器的內(nèi)容。圖1-9Debug菜單

9．Library菜單

Library菜單如圖1-10所示。它可以實(shí)現(xiàn)元器件的拾取、制作以及元器件庫(kù)的管理等功能。圖1-10Library菜單

10．Template菜單

Template菜單如圖1-11所示。它可以實(shí)現(xiàn)編輯設(shè)計(jì)文件屬性、編輯圖形顏色、編輯圖形樣式等功能。圖1-11Template菜單

11．System菜單

System菜單如圖1-12所示。它可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)境和仿真選項(xiàng)的配置功能。圖1-12System菜單1.3.2Proteus工具欄

Proteus工具欄如圖1-13所示。圖1-13Proteus工具欄在ProteusISIS環(huán)境中，通過(guò)菜單可定制工具欄，充分利用工具欄可給電路的創(chuàng)建與仿真帶來(lái)方便。ProteusISIS常用的工具欄有模式選擇工具欄、仿真設(shè)備選擇工具欄、2D圖形繪制工具欄。

圖1-14電源終端圖1-15元器件引腳圖1-16圖表分析圖1-17虛擬儀器

創(chuàng)建電路是仿真分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所創(chuàng)建電路的好壞直接關(guān)系到仿真與設(shè)計(jì)的成敗。在ProteusISIS環(huán)境中可以創(chuàng)建模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路以及單片機(jī)應(yīng)用電路，在ProteusARES環(huán)境中可以創(chuàng)建PCB版圖文件。就電路的復(fù)雜程度而言，分為簡(jiǎn)單電路與復(fù)雜電路。復(fù)雜電路可采用層次電路和總線方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。本節(jié)分兩部分介紹仿真電路的創(chuàng)建方法。1.4創(chuàng)建自己的仿真電路1.4.1創(chuàng)建簡(jiǎn)單電路

1．選擇元器件

在元器件對(duì)象選擇器中，單擊元器件選擇按鈕“P”(PickFromLibrary)，彈出元器件選擇對(duì)話框，如圖1-18所示。元器件選擇對(duì)話框左邊包括Keywords文本框、Category下拉列表框、Sub-category下拉列表框及Manufacturer下拉列表框，中間為Results下拉列表框，右邊包括RESPreview圖形框和PCBPreview圖形框。圖1-18元器件選擇對(duì)話框

Keywords文本框：選擇元器件時(shí)，若熟悉元器件名稱，則在該文本框中輸入名稱可直接查找需要的元器件，也可輸入元器件名稱的一部分，從而縮小查找范圍。

Category下拉列表框：列出了所有元器件庫(kù)的名稱。

Sub-category下拉列表框：列出了對(duì)應(yīng)元器件庫(kù)的所有子類。

Manufacturer下拉列表框：按制造商給出了對(duì)應(yīng)元器件庫(kù)的所有系列。

Results下拉列表框：列出了查詢結(jié)果。

RESPreview圖形框：列出了對(duì)應(yīng)元器件的圖形符號(hào)。

PCBPreview圖形框：列出了對(duì)應(yīng)元器件的封裝圖。

在圖1-18中選擇電阻，單擊“OK”按鈕，則電阻放置在對(duì)象選擇器中。按同樣的方法，將二極管、直流電源放置在對(duì)象選擇器中。放置元器件后的對(duì)象選擇器如圖1-19所示。圖1-19放置元器件后的對(duì)象選擇器

2．放置元器件

在對(duì)象選擇器中單擊CELL，再在仿真電路工作區(qū)單擊鼠標(biāo)左鍵，則實(shí)現(xiàn)了直流電源的放置，之后依次放置電阻、二極管、地、信號(hào)源，并按要求排列。元器件排列圖如圖1-20所示。

圖1-20元器件排列圖

3．連線

在電路工作區(qū)用鼠標(biāo)單擊元器件的一個(gè)端子引出連線并連至其他的端子上，單擊即可完成連線。連線以后的電路(該電路為二極管限幅電路)如圖1-21所示。圖1-21連線以后的電路圖

4．元器件編號(hào)

(1)整體按序編號(hào)。選擇菜單命令Tools/GlobalAnnotator，彈出Annotator對(duì)話框，如圖1-22所示。圖1-22Annotator(標(biāo)注)對(duì)話框按圖1-22所示選擇參數(shù)，單擊“OK”按鈕，完成電路圖元器件的編號(hào)。編號(hào)以后的電路圖如圖1-23所示。圖1-23編號(hào)以后的電路圖

(2)元器件單獨(dú)編號(hào)。在圖1-21中單擊元器件(如電阻)，彈出元器件屬性對(duì)話框，如圖1-24所示，將R？改為R1即可。其他元器件可按同樣方法進(jìn)行編號(hào)。圖1-24元器件屬性對(duì)話框

5．電氣規(guī)則檢測(cè)

電路仿真時(shí)，通過(guò)電氣規(guī)則檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，便于及時(shí)修正。選擇菜單命令Tools/ElectricalRuleCheck即可自動(dòng)生成電氣規(guī)則檢測(cè)報(bào)表，如圖1-25所示。其表明仿真電路的電氣規(guī)則檢測(cè)結(jié)果和生成網(wǎng)絡(luò)表均正確。單擊“SaveAs”按鈕可存取為ERC文件。圖1-25電氣規(guī)則檢測(cè)對(duì)話框

6．生成仿真電路的材料清單

選擇菜單命令Tools/BillsOfMaterials，彈出仿真電路材料清單對(duì)話框，如圖1-26所示。材料清單列出了仿真電路元器件的名稱、數(shù)量、參數(shù)值等。圖1-26仿真電路材料清單對(duì)話框

7．存盤(pán)

選擇菜單命令File/SaveDesign可彈出保存設(shè)計(jì)文件對(duì)話框，如圖1-27所示。輸入文件名稱“二極管限幅電路”，并單擊“保存”按鈕，完成設(shè)計(jì)文件的存儲(chǔ)。圖1-27保存設(shè)計(jì)文件對(duì)話框1.4.2創(chuàng)建復(fù)雜電路(層次電路設(shè)計(jì))

在ProteusISIS中，對(duì)于復(fù)雜電路可設(shè)計(jì)成層次電路結(jié)構(gòu)，信號(hào)線較多時(shí)還可采用總線連接。用戶可以將設(shè)計(jì)的電路劃分為若干單元電路，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、封裝，最后連線得到總體電路。經(jīng)層次設(shè)計(jì)的電路直觀明了、層次分明。這里以兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的放大電路為例，說(shuō)明層次電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。

層次電路設(shè)計(jì)的總體過(guò)程如下：第一步，創(chuàng)建新的設(shè)計(jì)文件(父頁(yè)電路)，并命名保存；第二步，在仿真電路編輯區(qū)放置子電路模塊及模塊引腳，并對(duì)引腳進(jìn)行命名；第三步，進(jìn)入子頁(yè)電路編輯區(qū)放置元器件、連線，添加輸入輸出端子，并對(duì)輸入輸出端子進(jìn)行命名(注：子頁(yè)電路的輸入輸出端子與父頁(yè)電路模塊上的對(duì)應(yīng)引腳名稱要保持一致)；第四步，返回父頁(yè)電路，放置總線、電源、虛擬儀器，完成總體電路設(shè)計(jì)；第五步，元器件編號(hào)(通過(guò)整體按序編號(hào)，可對(duì)父頁(yè)電路、所有子頁(yè)電路按序編號(hào))；第六步，仿真運(yùn)行，觀測(cè)結(jié)果。

1．創(chuàng)建父頁(yè)電路(總體電路)

選擇菜單命令File/NewDesign，創(chuàng)建父頁(yè)電路，并將設(shè)計(jì)的文件進(jìn)行存盤(pán)操作，文件名為“兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的父頁(yè)電路”。圖1-28子電路模塊SUB1

2．放置子電路模塊

(1)繪制子電路模塊矩形框。在模式選擇工具欄中單擊子電路模式按鈕(SubcircuitMode)“ ”，在仿真電路編輯區(qū)繪制子電路模塊SUB1(直接用鼠標(biāo)繪制出矩形框)，如圖1-28所示，并調(diào)整矩形框的大小。

(2)添加子電路模塊引腳。在圖1-29所示的子電路模式對(duì)象選擇器中選擇INPUT(輸入引腳)，用鼠標(biāo)將其放置在子電路模塊矩形框?qū)?yīng)的位置上，如圖1-28所示，放置了4個(gè)輸入引腳。用戶可按同樣的方法放置OUTPUT(輸出引腳)。圖1-29子電路模式對(duì)象選擇器

(3)子電路模塊引腳命名。雙擊模塊引腳，彈出子電路模塊編輯端子對(duì)話框，如圖1-30所示，輸入“IN01”，單擊“OK”按鈕，完成引腳的命名。同理，可對(duì)其他輸入輸出引腳進(jìn)行命名。命名以后的子電路模塊SUB1如圖1-28所示。圖1-30子電路模塊編輯端子對(duì)話框3．編輯子電路

在父頁(yè)電路編輯區(qū)單擊對(duì)應(yīng)的子電路模塊(鼠標(biāo)不移出該模塊)，按Ctrl+C組合鍵后進(jìn)入子頁(yè)電路編輯區(qū)，選擇元器件、連線，添加輸入輸出端子(單擊終端模式選擇按鈕“ ”，在對(duì)象選擇器中選擇輸入輸出端子)，并對(duì)輸入輸出端子進(jìn)行命名。SUB1模塊對(duì)應(yīng)的子電路如圖1-31所示。圖1-31SUB1模塊對(duì)應(yīng)的子電路(第一級(jí)放大電路)圖1-31為運(yùn)放構(gòu)成的反相求和放大電路。該電路有2個(gè)信號(hào)輸入端、2個(gè)電源輸入端、1個(gè)輸出端。輸入輸出端子的名稱與父頁(yè)電路SUB1模塊的引腳名稱一致。

依此方法，可編輯SUB2模塊對(duì)應(yīng)的子電路，如圖1-32所示。該電路為電壓跟隨器電路。圖1-32SUB2模塊對(duì)應(yīng)的子電路(第二級(jí)放大電路)

4．總體電路設(shè)計(jì)

(1)返回父頁(yè)電路。在子電路編輯區(qū)，返回父頁(yè)電路(在子電路編輯區(qū)的空白處右擊，選擇右擊菜單命令ExittoParentSheet，如圖1-33所示，可返回父頁(yè)電路)。

(2)放置總線。在模式選擇工具欄中單擊總線模式(BusesMode)按鈕“ ”放置總線，將信號(hào)線連接至總線，并對(duì)信號(hào)線進(jìn)行標(biāo)注。

圖1-33子頁(yè)電路編輯區(qū)的右擊菜單命令

注：連接至總線上的信號(hào)線，只要標(biāo)注名稱相同，即視為通過(guò)總線連接在一起。

(3)放置信號(hào)源、電源、測(cè)試儀器。在模式選擇工具欄中單擊激勵(lì)源模式(GeneratorMode)按鈕“ ”，選擇正弦信號(hào)，并設(shè)置正弦信號(hào)的幅值、頻率、相位等參數(shù)(通過(guò)正弦信號(hào)屬性對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置，如圖1-34所示)。在模式選擇工具欄中單擊虛擬儀器模式(VirtualInstrumentMode)按鈕“ ”，選擇示波器。將信號(hào)源、電源、示波器連接至總線，得到兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的總體電路(父頁(yè)電路)，如圖1-35所示。圖1-34正弦信號(hào)屬性對(duì)話框

圖1-35兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的總體電路(父頁(yè)電路)

5．元器件編號(hào)

選擇菜單命令Tools/GlobalAnnotator，彈出Annotator(標(biāo)注)對(duì)話框，如圖1-36所示，單擊“OK”按鈕，完成電路圖的元器件編號(hào)。

注：本處對(duì)電路元器件的編號(hào)包括父頁(yè)電路及所有子頁(yè)電路同時(shí)按序進(jìn)行編號(hào)。圖1-36Annotator(標(biāo)注)對(duì)話框

6．仿真運(yùn)行

單擊仿真按鈕，仿真時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出示波器顯示界面，如圖1-37所示，通過(guò)它可觀測(cè)仿真結(jié)果。圖1-37示波器顯示界面1.4.3創(chuàng)建模擬動(dòng)畫(huà)仿真電路

1．選擇元器件

在元器件庫(kù)中選擇元器件，并放置在電路編輯區(qū)。本處以熔斷器過(guò)流熔斷電路為例，說(shuō)明動(dòng)畫(huà)仿真電路的創(chuàng)建與仿真過(guò)程。選擇的元器件如表1-1所示。

表1-1熔斷器過(guò)流熔斷電路的元器件清單2．放置元器件并連線

在電路編輯區(qū)放置元器件并連線，得到熔斷器過(guò)流熔斷電路如圖1-38所示。

圖1-38熔斷器過(guò)流熔斷電路

3．存盤(pán)

將設(shè)計(jì)的文件存儲(chǔ)為“熔斷器過(guò)流熔斷電路.DSN”。

4．設(shè)置動(dòng)畫(huà)選項(xiàng)

選擇菜單命令System/SetAnimationOptions，彈出動(dòng)畫(huà)電路配置對(duì)話框，如圖1-39所示。圖1-39動(dòng)畫(huà)電路配置對(duì)話框圖1-39中的AnimationOptions復(fù)選框有4個(gè)選項(xiàng)，勾選不同的選項(xiàng)，可設(shè)置不同的動(dòng)畫(huà)項(xiàng)目。

ShowVoltage&CurrentonProbes?：顯示測(cè)量探針的電壓或電流(放置測(cè)量探針以后

有效)；

ShowLogicStateofPins?：顯示數(shù)字電路引腳的邏輯狀態(tài)(對(duì)數(shù)字電路有效)；

ShowWireVoltagebyColour?：用顏色表示導(dǎo)線的電壓；

ShowWireCurrentwithArrows?：用箭頭表示導(dǎo)線的電流。本例將4個(gè)動(dòng)畫(huà)選項(xiàng)全部勾選，因電路為模擬電路，故可動(dòng)畫(huà)演示電壓與電流。

5．仿真分析

單擊仿真按鈕，熔斷器過(guò)流熔斷電路的動(dòng)畫(huà)顯示結(jié)果如圖1-40、1-41所示。

(1)在圖1-40中，單擊開(kāi)關(guān)SW1上的上、下箭頭，可打開(kāi)或合上開(kāi)關(guān)。在不過(guò)流(電流小于1A)的情況下，可顯示導(dǎo)線電流流向(如圖1-40中的箭頭方向)。

(2)在圖1-41中，單擊電位器RV1上的左、右箭頭，可左右移動(dòng)電位器的滑動(dòng)端改變回路電阻的大小，進(jìn)而改變回路電流的大小。當(dāng)電流大于1A時(shí)，可動(dòng)畫(huà)顯示熔斷器熔斷，同時(shí)顯示電流的箭頭消失，如圖1-41所示。

圖1-40熔斷器過(guò)流熔斷電路的動(dòng)畫(huà)顯示(不過(guò)流)

圖1-41熔斷器過(guò)流熔斷電路的動(dòng)畫(huà)顯示(過(guò)流)1.4.4創(chuàng)建數(shù)字動(dòng)畫(huà)仿真電路

1．選擇元器件

在元器件庫(kù)中選擇元器件，并放置在電路編輯區(qū)。本處以JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例，說(shuō)明數(shù)字動(dòng)畫(huà)電路的創(chuàng)建與仿真過(guò)程。選擇的元器件如表1-2所示。

表1-2JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的元器件清單2．放置元器件、連線并標(biāo)注

在電路編輯區(qū)放置元器件并連線，得到JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路，如圖1-42所示。

圖1-42JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路

3．存盤(pán)

將設(shè)計(jì)的文件存儲(chǔ)為“JKFF構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器.DSN”。

4．仿真分析

單擊仿真按鈕，JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路的動(dòng)畫(huà)仿真結(jié)果如圖1-43示。

圖1-43JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路的動(dòng)畫(huà)仿真結(jié)果仿真過(guò)程中，可進(jìn)行如下操作：

(1)單擊邏輯狀態(tài)發(fā)生器S1的箭頭，使S1

=

0，則輸出狀態(tài)Q2Q1Q0保持不變，數(shù)碼管顯示的字符不變；

(2)單擊邏輯狀態(tài)發(fā)生器S1的箭頭，使S1

=

1，則輸出狀態(tài)Q2Q1Q0按二進(jìn)制變化規(guī)律變化，同時(shí)數(shù)碼管加1顯示字符。

注：若BCD數(shù)碼管的最高位未被用到，則要將其接地，否則不能顯示字符。

ProteusISIS集原理圖設(shè)計(jì)、仿真分析于一體。ProteusVSM(虛擬仿真模式)包括交互式仿真和基于圖表仿真兩種方式。交互式仿真可實(shí)時(shí)反映電路的仿真結(jié)果；圖表仿真可精確分析電路的性能，如電路的頻率特性、噪聲特性、傅立葉分析等。1.5Proteus仿真分析入門(mén)1.5.1交互式仿真

(1)創(chuàng)建仿真電路。在元器件庫(kù)中選擇元器件，創(chuàng)建單管共射放大電路，如圖1-44所示。

注：當(dāng)將選擇的元器件放置于電路編輯區(qū)時(shí)，每個(gè)元器件下部都會(huì)顯示灰色的“TEXT”，該字母可通過(guò)菜單命令隱藏。

選擇菜單命令Template/SetDesignDefaults，可彈出EditDesignDefaults對(duì)話框。如圖1-45所示，勾選圖1-45中的“Showhiddentext?”選項(xiàng)，則電路元器件下部的“TEXT”不顯示。

圖1-44單管共射放大電路圖1-45EditDesignDefaults對(duì)話框

(2)設(shè)置信號(hào)源和電源VCC。雙擊信號(hào)源圖標(biāo)，彈出信號(hào)源屬性對(duì)話框，如圖1-46所示。將信號(hào)源名稱設(shè)為“Vin”、幅值(Amplitude)設(shè)置為10mV、頻率設(shè)置為1kHz。圖1-46信號(hào)源屬性對(duì)話框選擇菜單命令Design/ConfigurePowerRails，彈出PowerRailConfiguration對(duì)話框，如圖1-47所示，選擇Name為“VCC/VDD”、Voltage為12，則電源電壓為12V。

注：仿真軟件提供的電源VCC默認(rèn)值為5V，可通過(guò)菜單命令或?qū)傩詫?duì)話框設(shè)置VCC的大小。

(3)放置電壓、電流探針及示波器。放置電壓、電流探針可測(cè)試結(jié)點(diǎn)電壓和支路電流；通過(guò)示波器可測(cè)試輸入輸出電壓波形。放置電壓、電流探針及示波器以后的電路如圖1-43所示。圖1-47PowerRailConfiguration對(duì)話框

(4)仿真分析。單擊仿真按鈕，右擊示波器圖標(biāo)，選擇右擊菜單命令DigitalOscilloscope，可以顯示示波器界面，如圖1-48所示。通道A(測(cè)試輸入信號(hào))的刻度為10mV/div，通道B(測(cè)試輸出信號(hào))的刻度為0.5V/div。從波形可看出，輸入信號(hào)的幅值為10mV，輸出信號(hào)的幅值約為0.5V，放大倍數(shù)為50，且輸入輸出反相。圖1-48圖1-44所示電路的輸入輸出波形1.5.2基于圖表仿真分析

本處仍以圖1-44為例，選用模擬圖表分析，說(shuō)明基于圖表仿真分析的過(guò)程。

1．放置電壓探針

在電路的輸入端和輸出端分別放置電壓探針，并改名為“Vin”和“Vout”，如圖1-44所示。

2．放置分析圖表

在模式選擇工具欄中單擊圖表分析模式按鈕“

”，則在對(duì)象選擇器中列出了圖表分析的種類，如圖1-49所示。選擇ANALOGUE選項(xiàng)，在仿真電路編輯區(qū)用鼠標(biāo)繪制圖表，如圖1-50所示。圖1-49圖表分析的種類

圖1-50添加模擬分析圖表

3．添加分析結(jié)點(diǎn)

選擇菜單命令Graph/AddTrace，彈出AddTransientTrace(添加分析結(jié)點(diǎn))對(duì)話框，如圖1-51所示。圖1-51AddTransientTrace(添加分析結(jié)點(diǎn))對(duì)話框圖1-52添加Vin和Vout之后的仿真分析圖表

4．編輯分析圖表參數(shù)

選擇菜單命令Graph/EditGraph(或單擊仿真圖表)，彈出EditTransientGraph(編輯仿真圖表參數(shù))對(duì)話框，如圖1-53所示。圖1-53EditTransientGraph(編輯仿真圖表參數(shù))對(duì)話框在圖1-53中，將Starttime設(shè)為0、Stoptime設(shè)為1ms，則仿真的起止時(shí)間為0～1ms。因?yàn)檩斎胄盘?hào)為1kHz(周期為1ms)，所以仿真分析時(shí)，在分析圖表內(nèi)顯示一個(gè)周期的波形。

注：系統(tǒng)默認(rèn)的起止時(shí)間為0～1s。

5．運(yùn)行圖表仿真

選擇菜單命令Graph/SimulateGraph，則模擬圖表分析結(jié)果如圖1-54所示。圖1-54圖1-44電路的模擬圖表分析結(jié)果在圖1-54中，模擬圖表分析給出了輸入輸出信號(hào)的波形，但因?yàn)檩斎胄盘?hào)的幅值太小(10mV)，所以幾乎與橫軸重合。操作時(shí)單擊圖1-54上部的藍(lán)條，可最大化顯示圖表，如圖1-55所示。圖1-55最大化顯示分析圖表

Proteus整體功能包括電路的仿真分析和PCB版圖設(shè)計(jì)兩部分。電路的仿真分析在ProteusISIS環(huán)境中進(jìn)行，PCB版圖設(shè)計(jì)在ProteusARES環(huán)境中完成。

本處以單片機(jī)控制的流水燈為例，說(shuō)明在Proteus環(huán)境中完成原理圖的創(chuàng)建、控制程序的編輯與編譯、程序的加載、單片機(jī)控制系統(tǒng)的仿真分析以及PCB版圖設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，使讀者對(duì)Proteus軟件有一個(gè)概括性的認(rèn)識(shí)。1.6Proteus整體功能預(yù)覽1.6.1流水燈硬件電路的設(shè)計(jì)

在元器件庫(kù)中選擇元器件，創(chuàng)建流水燈控制電路，如圖1-57所示。

1．元器件編號(hào)

參見(jiàn)1.4.1節(jié)內(nèi)容。

2．信號(hào)線命名

選擇菜單命令Tools/PropertyAssignmentTool，彈出PropertyAssignmentTool(屬性分配工具)對(duì)話框，如圖1-56所示。圖1-56PropertyAssignmentTool(屬性分配工具)對(duì)話框如圖1-57所示，流水燈由八個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，接成灌電流形式，由單片機(jī)的P1口控制，當(dāng)P1口引腳輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)光管發(fā)光。復(fù)位電路用來(lái)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

如圖1-56所示，設(shè)置如下參數(shù)：String：NET=D#；Count：0；Increment：1，表示信號(hào)線標(biāo)記按D0、D1、D2……的順序進(jìn)行編號(hào)。單擊“OK”按鈕，再在電路中對(duì)應(yīng)的信號(hào)線上單擊，即可完成信號(hào)線的命名(如圖1-57所示的與總線相連的信號(hào)線)。

注：利用PropertyAssignmentTool(屬性分配工具)還可完成元器件、子電路、終端、端口及引腳的命名、編號(hào)等操作。操作對(duì)象見(jiàn)圖1-56的Help對(duì)話框。

圖1-57流水燈控制電路

3．存盤(pán)

將編輯的電路存儲(chǔ)為“流水燈控制.DSN”。

1.6.2流水燈控制程序設(shè)計(jì)

流水燈控制程序的編輯調(diào)試有兩種方式可供選擇：第一種方式，利用Proteus軟件提供的程序編輯器完成源程序的編輯、編譯操作；第二種方式，可選擇第三方軟件(如Keil)完成源程序的編輯、編譯操作。本處采用第一種方式。

1．添加源程序文件

在Proteus環(huán)境中，選擇菜單命令Source/Add/RemoveSourceCodeFiles，彈出Add/RemoveSourceCodeFiles對(duì)話框，如圖1-58所示。圖1-58Add/RemoveSourceCodeFiles對(duì)話框圖1-58所示對(duì)話框包括TargetProcessor文本框、CodeGenerationTool文本框和SourceCodeFilename文本框。

TargetProcessor文本框：選擇目標(biāo)處理器。若硬件電路含多個(gè)處理器，則需選擇。

CodeGenerationTool文本框：選擇編譯器?？蛇x擇的編譯器有ASEM51(51系列單片機(jī)編譯器)、ASM11(Motorola單片機(jī)編譯器)、AVRASM2(AtmelAVR系列單片機(jī)編譯器)、MPASM(PIC單片機(jī)編譯器)、MPASMWIN(PIC單片機(jī)編譯器)。本處選擇ASEM51。

SourceCodeFilename文本框：源代碼文件的編輯與刪除。單擊“New”按鈕，彈出NewSourceFile對(duì)話框，如圖1-59所示。選擇存儲(chǔ)路徑，輸入文件名“LSD”，單擊“打開(kāi)”按鈕，則實(shí)現(xiàn)了源程序文件(LSD.ASM)的添加，如圖1-58所示。圖1-59NewSourceFile對(duì)話框

2．編輯源程序

在Proteus環(huán)境中，選擇菜單命令Source/LSD.ASM，彈出SourceEditor對(duì)話框，如圖1-60所示。編輯流水燈控制程序并存盤(pán)。圖1-60SourceEditor對(duì)話框

3．源程序編譯

選擇菜單命令Source/BuildAll，實(shí)現(xiàn)源程序的編譯，并給出BUILDLOG(編譯記錄)，如圖1-61所示。從編譯記錄可看出，源代碼編譯完成后未產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤。經(jīng)編譯操作后，生成LSD.hex文件。圖1-61BUILDLOG(編譯記錄)1.6.3流水燈控制系統(tǒng)的仿真與調(diào)試

1．加載hex文件

在電路編輯區(qū)雙擊單片機(jī)U1，彈出EditComponent對(duì)話框，如圖1-62所示。單擊按鈕“ ”可加載LSD.hex文件。單擊“OK”按鈕，完成hex文件的加載。圖1-62EditComponent對(duì)話框

2．仿真與調(diào)試

單擊運(yùn)行按鈕，可觀測(cè)仿真過(guò)程。

(1)單擊仿真運(yùn)行按鈕“ ”后，發(fā)光二極管按D1、D2、D3……的順序依次循環(huán)發(fā)光。同時(shí)，器件引腳動(dòng)畫(huà)顯示高低電平信號(hào)(高電平顯示紅色，低電平顯示藍(lán)色)。流水燈控制電路的仿真結(jié)果如圖1-63所示。

圖1-63流水燈控制電路的仿真結(jié)果

(2)單擊圖中的BUTTON開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，則程序從頭(0000H)開(kāi)始執(zhí)行，發(fā)光二極管從D1開(kāi)始發(fā)光。

(3)雙擊單片機(jī)圖標(biāo)U1，改變單片機(jī)的時(shí)鐘頻率(ClockFrequence)，可看到流水燈循環(huán)發(fā)光的速度會(huì)改變。當(dāng)時(shí)鐘頻率升高時(shí)，流水燈循環(huán)發(fā)光的速度變快；當(dāng)時(shí)鐘頻率降低時(shí)，流水燈循環(huán)發(fā)光的速度變慢。

(4)仿真調(diào)試。單擊暫停按鈕“ ”，選擇菜單命令Debug/8051CPUSourceCode-U1，彈出流水燈控制源代碼調(diào)試窗口，如圖1-64所示。在該調(diào)試窗口可進(jìn)行設(shè)置斷點(diǎn)、單步、運(yùn)行至某一行、全速運(yùn)行等操作。圖1-64流水燈控制源代碼調(diào)試窗口單擊“暫?！卑粹o后，選擇菜單命令Debug/8051CPURegisters-U1，彈出8051CPURegisters窗口，如圖1-65所示。該窗口顯示了寄存器的內(nèi)容，寄存器的內(nèi)容隨程序的運(yùn)行而變化。圖1-658051CPURegisters顯示窗口在調(diào)試時(shí)，還可觀測(cè)8051CPUSFRMemory顯示窗口及8051CPUInternalMemory顯示窗口，分別如圖1-66和圖1-67所示。

圖1-668051CPUSFRMemory顯示窗口

圖1-678051CPUInternalMemory顯示窗口1.6.4流水燈控制系統(tǒng)的PCB版圖設(shè)計(jì)

在完成流水燈控制系統(tǒng)的仿真與調(diào)試后，可以利用ProteusARES軟件制作PCB版圖。其具體步驟為：第一步，原理圖元器件的封裝檢查，即對(duì)原理圖中未指定封裝的器件要重新指定封裝；第二步，進(jìn)入ProteusARES設(shè)計(jì)環(huán)境，導(dǎo)入所有元器件(封裝)；第三步，繪制版框，放置元器件，并調(diào)整布局；第四步，自動(dòng)布線，設(shè)置電源層和地層；第五步，PCB版圖的3D預(yù)覽；第六步，PCB的輸出。

1．原理圖元器件的封裝檢查

由原理圖到PCB版圖設(shè)計(jì)時(shí)，要求原理圖中每個(gè)元器件均有指定的封裝模型。ProteusISIS環(huán)境中提供了對(duì)器件的封裝檢查。

1)元器件的封裝檢查

在ProteusISIS環(huán)境中選擇菜單命令Design/DesignExplorer，彈出PhysicalPartlistView顯示窗口，如圖1-68所示。該窗口說(shuō)明開(kāi)關(guān)(BUTTON)和發(fā)光二極管(D1～D8)未指定封裝(missing)。圖1-68PhysicalPartlistView顯示窗口

2)給開(kāi)關(guān)(BUTTON)指定封裝

在原理圖中右擊開(kāi)關(guān)(BUTTON)圖標(biāo)，選擇右擊菜單命令PackagingTool，彈出PackageDevice對(duì)話框，如圖1-69所示。圖1-69PackageDevice對(duì)話框①查找“BUTTON”對(duì)應(yīng)的封裝。在圖1-69中單擊“Add”按鈕，彈出PickPackages對(duì)話框，如圖1-70所示。

在圖1-70所示的Keywords文本框輸入“button”，選擇SW-PUSH1選項(xiàng)，單擊“OK”按鈕，則為開(kāi)關(guān)“button”選擇了封裝模型SW-PUSH1，如圖1-71所示。圖1-70PickPackages對(duì)話框圖1-71PackageDevice對(duì)話框(選擇封裝模型后的對(duì)話框)②為封裝模型定義引腳，如圖1-71所示。在圖1-71中單擊“AddPin”按鈕給封裝模型定義引腳1、2，如圖1-71中的圓圈部分。

③保存封裝模型到指定的庫(kù)中。單擊“AssignPackage”按鈕，彈出保存封裝模型對(duì)話框，如圖1-72所示。單擊“SavePackage(s)”按鈕，可保存封裝模型到指定的庫(kù)(USERDVC庫(kù))中。圖1-72保存封裝模型對(duì)話框

3)給發(fā)光二極管LED指定封裝

用鼠標(biāo)拖拽選定發(fā)光二極管D1～D8，選擇菜單命令Tools/PropertyAssignmentTool，彈出PropertyAssignmentTool對(duì)話框，如圖1-73所示。在String文本框輸入“package=LED”，單擊“OK”按鈕，則對(duì)D1～D8指定了封裝模型。

至此為止，原理圖中所有的元器件均有對(duì)應(yīng)的封裝模型(可選擇菜單命令Design/DesignExplorer進(jìn)一步進(jìn)行檢查)。圖1-73PropertyAssignmentTool對(duì)話框

2．進(jìn)入ProteusARES

在ProteusISIS環(huán)境中，選擇菜單命令NetlisttoARES(或單擊工具按鈕“ ”)，則進(jìn)入ProteusARES工作界面，如圖1-74所示。

因?yàn)樵谠韴D進(jìn)行仿真分析時(shí)，已經(jīng)生成網(wǎng)表文件，故單擊圖1-74中的模式選擇按鈕“ ”后，原理圖中所有元器件的封裝模型都將顯示在對(duì)象選擇器中，即原理圖中的元器件將自動(dòng)導(dǎo)入至ARES中。圖1-74ProteusARES工作界面

3．繪制版框，放置元器件