Proteus仿真在虛擬示波器設計中的應用

吳建平，吳姝瑤，劉超

（1.成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川省地學核技術重點實驗室，四川成都 610059；2.成都凱天電子股份有限公司，四川成都 610091）

Proteus仿真在虛擬示波器設計中的應用

吳建平1，吳姝瑤2，劉超1

（1.成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川省地學核技術重點實驗室，四川成都 610059；2.成都凱天電子股份有限公司，四川成都 610091）

應用Proteus仿真平臺實現虛擬示波器的設計，把波形發生器產生的波形信號作為信號源，通過A/D轉換器對輸入信號進行數據轉換后輸入到單片機，通過單片機數據處理后用虛擬串口把數據輸出到計算機，最后由VC軟件中的INGraph控件提取數據進行波形圖的繪制。經仿真表明：該設計實現了虛擬示波器的功能，在實際應用中可以降低設計成本，縮短開發周期，提高效率。

Proteus軟件；A/D轉換；示波器；波形發生器

0 引言

在虛擬示波器的設計開發中，需要專用的信號發生器，才能對所設計的軟件、硬件進行設計與評估，因此系統仿真起著非常重要的作用，通過對系統的仿真，可以大大提高設計效率。為了能在無相關設備下也能進行虛擬示波器的產品設計與開發，許多技術人員用各種仿真軟件，使用最多的仿真軟件應當是Matlab，其仿真功能強大，可以應用于各個學科和領域。但是在實際設計中，這些軟件無法直接用于單片機或DSP仿真，不能直觀地反映出微處理器在系統中的作用[1-2]。

Proteus軟件是來自Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，除了有和其他EDA工具一樣的原理圖編輯、PCB自動、人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是電路仿真是互動的，針對微處理器的應用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現軟件源碼級的實時調試。因此，利用Proteus軟件就可以進行微處理器編程并實現各種控制算法的仿真，從而直觀地觀測到對被控制對象的控制效果[3]。

1 Proteus軟件簡介

Proteus與其他單片機仿真軟件不同的是，它不僅可以仿真單片機CPU的工作情況，還可以仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。在仿真和程序調試時，不再關心單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接關注程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，彌補了實驗和工程應用間脫節的矛盾和現象，在實驗與開發過程中更加安全、可靠。

Proteus ISIS是一款集電子仿真、單片機仿真于一體的EDA軟件，是極具競爭力的仿真軟件。Proteus ISIS可以仿真各種復雜的輸入電壓、電流信號，因此，很容易用來仿真諧波信號的輸入。在Proteus ISIS中，可以仿真各種單片機，這些單片機可以根據各種輸入信號，如按鍵、標準與自定義波形、運行程序，并與仿真各種接口芯片進行通信、仿真LED數碼管或LCD顯示。因此，將Proteus ISIS應用于諧波檢波器的設計，既經濟又方便。

Proteus ISIS的工作界面是一種標準的Windows界面，如圖1所示，包括標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、狀態欄、對象選擇按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口等。

圖1 Proteus ISIS工作界面

2 系統的硬件設計

2.1 系統總體架構

系統的總體設計基于Proteus軟件設計實現，系統總體架構框圖如圖2所示，主要包括“波形發生器”、“數據采集部分”、“單片機”、“虛擬串口”和“VC制圖控件”等[4]。

系統主要功能是將前端的波形發生器產生的波形信號經ADC采樣后數字化，送至MCU進行波形重建邏輯處理，并由虛擬串口送至計算機進行波形重現處理（VC++）。系統的主控制單元MCU選用C8051芯片，負責整個系統的邏輯處理和控制。波形發生器由ICL8038組成，ADC電路選用一片AD1674來采樣數據，主要針對前段的波形發生器產生的波形信號進行數字采樣。

圖2 系統總體架構

2.2 波形發生器

ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調整個別的外部元件就能產生從0.001～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調頻信號輸入端，所以可以用來對低頻信號進行頻率調制。ICL8038主要具有5個特點：

（1）在發生溫度變化時產生低的頻率漂移，最大不超過50×10-6/℃；

（2）正弦波輸出具有低于1%的失真度，三角波輸出具有0.1%高線性度；

（3）具有0.001Hz～1MHz的頻率輸出范圍，工作變化周期寬；

（4）具有正弦波、三角波和方波等多種函數信號輸出；

（5）易于使用，只需要很少的外部條件。

ICL8038芯片內部包括兩個恒流源、兩個電壓比較器、兩個緩沖器、正弦波變壓器、模擬開關、RS觸發器。利用恒流源對外接電容進行充、放電，產生三角波（或鋸齒波），經緩沖器Ⅰ（3腳）輸出；由觸發器獲得方波（或矩形波），經緩沖器Ⅱ（9腳）輸出；再利用正弦波變換器將三角波換成正弦波（2腳）輸出。改變電容器的充、放電時間，可實現三角波與鋸齒波、方波與矩形波的互相轉換。

ICL8038應用如圖3所示。在構成函數波形發生器時應該將第7、8引腳短接。R1、R2為定時電阻，可選1 kΩ～1MΩ的可調電阻，調節R1、R2能改變振蕩頻率以及矩形波的占空比。C為定時電容，也能影響震蕩頻率。R3用于調整正弦波的失真，第9腳需要外接集電極負載電阻R4。

對于三波，其輸出幅度Vp=V+/3，振蕩頻率由式（1）確定

圖3 波形發生器

這也是矩形波和正弦波的頻率。矩形波的占空比為

欲獲得最佳性能，R1的阻值應該滿足：

式中：I——正向充電電流，通常取10μA～1mA。

式（3）對于計算R2也適用。選取電容器C的方法是首先確定振蕩頻率f的調節范圍，然后計算R1、R2的值，再帶入式（1）中求出C的容量，以其上限標稱值作為實際電容量。電容C值一經確定就不再調整。

特別，當R1=R2=R時，輸出為對稱的方波。式（1）化簡為

本設計中R1=R2=10 kΩ，C=330 nF，帶入式（4）可知f=100Hz。

2.3 ADC數據采集電路的設計

ADC數據采集電路系統中，核心器件采用12位逐次逼近式快速轉換器AD1674，該芯片是美國模擬器件公司生產的一款適用范圍很廣的一種A/D轉換器，其自身帶有采樣保持器和三態緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，并且與CMOS、TTL電平兼容，所以該芯片是一款集成性能很好的A/D轉換芯片。另外，AD1674轉換速度僅為15μs，以及12位的高轉換精度，完全滿足了虛擬示波器系統實時要求高、采樣精度高的要求。由于AD1674轉換器接收的是模擬電壓值，其電路的抗干擾及防止零漂能力直接關系到A/D采集模塊的可使用性。

圖4 時序控制電路圖

AD1674芯片內部自帶采樣保持器（SHA）、10V基準電壓源、時鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態輸出緩沖器。與原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的內部結構更加緊湊，集成度更高，工作性能（尤其是高低溫穩定性）也更好，而且可以使設計板面積大大減小，因而可降低成本并提高系統的可靠性。其特點是：

（1）內部采樣保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/數轉換器；

（2）采樣頻率為100 kHz；

（3）具有±1/2LSB的積分非線性，及12位差分非線性滿量程校準誤差為0.125%；

（4）內有+10V基準電源，也可使用外部基準源；

（5）4種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V，±10V，0～10V和0～20V；

（6）數據可并行輸出，采用8/12位可選微處理器總線接口；

（7）采用雙電源供電，模擬部分為±12V/±15V，數字部分為+5V；

圖5 AD1674的連接圖

（8）采用28腳密封陶瓷DIP或SOIC封裝形式，功耗低，僅為385mW。

設計中根據AD1674的轉換與啟動時序圖搭建硬件電路，達到控制時序的目的，時序控制電路如圖4所示。AD1674電路連接如圖5所示，12位數據端接單片機P0口，實行雙8位數據采集。時序控制端接硬件搭建的電路。

在ADC數據采集電路設計中，抗干擾性也是需要重點關注的問題。主要應注意以下3點：

（1）將AD1674芯片的數字地與模擬地在靠近芯片的地方用0Ω電阻連接在一起。

（2）芯片供電電源經過電容去耦后提供給芯片，且其地線與數字地相連。

（3）模擬信號的地線與AD1674的模擬地相連。

2.4 系統主控電路設計

單片機的高速處理速度和增強型外圍設備集合使得它們適合于這種高速事件應用場合。然而，這些關鍵應用領域也要求這些單片機高度可靠。開發環境單片機選用了AT89C51，它的各種硬件、軟件環境部件有較好的交互性，單片機電路連接如圖6所示，單片機的P0口接A/D的數據端，通過雙8位的數據模式實現對12位數據的讀取。

圖6 單片機的接口電路

3 系統的軟件設計

軟件系統由波形發生器、A/D轉換器、單片機、圖形顯示控件等模塊組成。首先通過ICL8038產生方波或者三角波，由AD1674對波形數據進行轉換，采用雙8位數據讀取方式，由單片機以9600B/s的波特率進行數據傳輸，處理，存儲在RAM中，再通過虛擬串口把數據發送到計算機中，并把數據存儲在文本文檔中，啟用VC中的NTGraph插件，對數據進行讀取，繪制圖形，圖形會以窗口的形式顯示出來。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

波形重建計算與數據傳輸是本程序中的重點，由于采用C語言編程，程序比匯編程序要簡練得多[5]，其數據傳輸子程序如下：

圖8 仿真波形

4 仿真與分析

Proteus在設計的時候已經注意到和各種單片機編譯程序的整合，如可以和Keil、MPLAB等編譯模擬軟件結合。Keil是目前世界上優秀的51單片機的匯編和C語言的開發工具，具備功能強大的軟件仿真和硬件仿真（需硬件支持）功能，把這兩個軟件結合來用，調試軟硬件就方便多了。本文就是采用“Keil+ Proteus”的仿真方法[6-7]，具體步驟如下：

（1）正確設置Keil集成環境和Proteus之間的接口，使二者成功連接：

1）把C：Program FilesLabcenter Electronics Proteus 6 ProfessionalMODELS目錄下的VDM51. dll文件copy到C：KeilC51BIN；

2）修改C：Keil TOOLS.INI文件在[C51]欄目加入TDRV3=BINVDM51.DLL（“Proteus VSM Monitor-51Driver”），其中“TDRV5”中的數字“5”要根據實際情況填寫，只要不和原來已有的重復即可；

3）進入Keil的Project→option for target，選擇Use復選項，在下拉列表項中選擇Proteus VSM Monitor-51Driver；

4）點擊setting項，設置IP為127.0.0.1，端口為8000。

（2）在Keil里對匯編源程序進行編譯、連接后，就可以像在仿真儀上一樣進行單步、全速調試了，隨時都可以觀察軟硬件的互動工作的過程和結果。結合Proteus里的虛擬儀表，可以進行觀測數據。數據輸出后保存到計算機中，由VC中的控件INGraph空間進行數據提取與數據繪制，仿真波形如圖8所示。圖8（a）為虛擬示波器測試的方波圖形，圖8（b）為虛擬示波器測試的鋸齒波圖形。

5 結束語

Proteus軟件強大的微處理器仿真功能和豐富的元件仿真模型為虛擬示波器系統提供了新的仿真平臺，不再是傳統方框圖式的仿真，而是直接與微處理器編程及控制電路仿真結合起來，既可以完成控制電路的軟硬件仿真，又完成了系統的控制效果仿真。使用這種仿真方法可以大大提高設計各種數字控制器的效率，對于虛擬示波器系統的教學演示和實際設計都具有一定的輔助作用。

[1]李文榮.EWB9電子設計技術[M].北京：機械工業出版社，2007：214-241.

[2]古天祥，王厚軍.電子測量原理[M].北京：機械工業出版社，2009：218-294.

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[5]孫淑霞，肖春陽，魏琴.C/C++程序設計教程[M].3版.北京：電子工業出版社，2009：265-285.

[6]吳政男，程運勝.基于Proteus的單片機仿真實驗系統設計應用[J].計算機與數字工程，2011（11）：175-177.

[7]周潤南，張麗娜，丁莉.基于Proteus的電路及單片機設計與仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009（1）：227-242.

Simulation of virtual oscilloscope based on Proteus software

WU Jian-ping1，WU Shu-yao2，LIU Chao1
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Geology Nuclear Technology key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；
2.Chengdu CAIC Electronics Co.，Ltd，Chengdu 610091，China）

This paper introduced the design of the virtual oscilloscope simulated by the Proteus based on MCU technique.After ADC digitization，the triangular wave or square wave signals by the waveform generator is extracted via related algorithm，and output to computer through the virtual serial port.Finally drawing of waveform based on the digital data by the INGraph controls in VC software was achieved.By using Proteus，the simulation of the virtual oscilloscope and design of MCU systems can be realized with less design costs，less development cycles and high efficiency.

Proteus；ADC；oscilloscope；waveform generator

TM935.3；TP391.9；TP274；TN606

A

1674-5124（2013）03-0079-05

2012-05-02；

：2012-06-27

高等教育質量工程（省級教改項目）（SZH1105JP03）作者簡介：吳建平（1954-），女，江蘇江陰市人，教授，主要從事測控技術與儀器、核技術應用研究。