Proteus仿真在電子電路設計案例教學中的應用

吳學軍 張靜

【摘要】數控直流穩壓電源設計是電子電路教學中的典型案例。本文通過運用Proteus軟件實現對數控直流穩壓電源的設計與仿真過程進行詳細分析與闡述，表明了利用Proteus軟件進行電子電路設計與仿真的便捷，以及在教學中體現出來的功能和作用——有助于教師的教和學生的學。

【關鍵詞】數控;直流穩壓電源;Proteus;設計與仿真;教學案例

1 引言

Proteus軟件是英國LabCenter Electronics公司開發的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個部分構成，其中Proteus ISIS軟件包含了革命性的VSM（虛擬仿真技術），用戶可以對模擬電路、數字電路、模擬數字混合電路，以及基于微控制器的系統連同所有的周圍電子器件一起仿真[1-2]。在電子類專業核心課程的教學中，除了引導學生掌握好基礎理論知識外，教師更需要加強對學生實踐動手能力的培養，才能促進學生電路設計能力以及實踐創新能力提高，也才能滿足社會對所培養人才的專業能力需求。而將Proteus仿真軟件技術應用于電子類專業核心課程的教學活動中，如模擬電子技術、數字電子技術、單片機技術以及嵌入式系統等課程的教學，不僅能夠促進教師形象生動地完成教學任務，還可以提高學生的實踐動手能力，如開展創新性設計實驗、畢業設計、電子設計競賽[2]。采用Proteus進行虛擬仿真設計實驗可以根據需要隨時對原理電路圖進行修改，并立即獲得仿真結果。一邊設計一邊實驗，調試時隨時可以修改電路，要比用萬能板焊接元件搭建硬件平臺更為方便，避免了傳統設計中元器件的浪費，節約了時間和經費，提高了設計的效率和質量[3]。本文探討的數控直流穩壓電源的設計和仿真，涉及電路理論、模擬電子技術、數字電子技術、單片機技術、EDA技術等多方面知識，是電子電路設計與仿真教學的典型案例。

2 電路的硬件設計

2.1 設計方案分析

數控直流穩壓電源設計是一個具有綜合性的設計項目，要求具有一定的電壓輸出范圍，輸出電壓能步進可調，能實時數字顯示輸出電壓。

根據任務要求，首先該電路主體是一個電源，屬于模擬電路設計，其次需要實時顯示輸出電壓，需要譯碼顯示電路，屬于數字電路知識，還有數字到模擬的轉換，需要數模轉換電路，整個轉換過程需要相應的時序控制，需要微控制器有序控制電壓的轉換、輸出、顯示。因此設計方案很多，本文給出一種簡單實用的方案，在此方案中主要由以下幾個部分組成（如圖1）：

控制器部分：為了能有序控制電源的步進輸出及顯示，本設計選用學生熟悉又比較常用的8051系列單片機AT89C52。單片機的作用除了有效控制電壓的數控輸出及顯示外，還可進行功能擴展。

電壓輸出部分：本設計對電源的輸出電壓電流沒有太高的要求，當前已有集成三端穩壓器一般能滿足要求，而且這類芯片內部都有過流和過熱的保護電路。例如型號為LM317集成三端穩壓器，其額定電流可達1.5A，輸出電壓的調節范圍為1.2～37V，內部有過熱和過流保護電路，價格也不貴，所以采用這種芯片為主體來組成所要求的系統是比較合理的。

電壓調節部分：為了能實現電源輸出步進變化，結合集成三端穩壓器的特點，選擇模擬開關和電阻網網絡構成D/A轉換電路，將單片機與三端穩壓器聯接，實現數字信號到模擬信號的轉換。控制單片機輸出的數字信號即可改變三端穩壓器輸出電壓，實現電壓的數控調節。

電壓顯示部分：該部分選用常用的數字電路中的譯碼顯示電路，為了節約單片機的IO端口，顯示方式采用動態顯示。

圖1 整體電路設計方案原理圖

2.2 各單元電路硬件設計

根據上面的設計思路，為了能快速方便的實現該設計方案，采用常用的一種仿真設計軟件Proteus完成該電路的設計與仿真。Proteus軟件包含了豐富的元器件庫，能夠很方便地調用設計方案中需要的各種元器件連接成電路，并進行仿真測試。

2.2.1 單片機控制電路

單片機是數控電源的核心，它通過軟件的運行來控制整個電路的工作，從而完成設定的功能。本設計中控制電路選用AT89C52單片機，它是由美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能8位CMOS單片機，片內含8K字節的FLASH或PEROM和256字節的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容[4]。AT89C52接收來自按鍵的信息，并對按鍵輸入的信息進行處理，從而控制輸出電壓的變化，并將變化的結果輸出到顯示電路上。

2.2.2 電壓輸出電路

該電路主要由集成三端穩壓器LM317作為核心器件穩定輸出電壓，該芯片內部有過流和過熱保護電路，電容C1、C3濾除交流雜波，二極管D1為負載電容的存儲電荷提供一條放電通路[4]。LM317的穩壓輸出電路如下圖2所示。

圖2 LM317穩壓輸出電路

圖2中輸出電壓滿足下列關系，

由于調整端的電流IADJ小于100uA，大多數情況應用時可以忽略，因此輸出電壓近似為 ，通過調節可調電阻R2可以很方便地改變輸出電壓。

2.2.3 電壓調節電路

從上面的LM317輸出電壓公式得知只要改變可調電阻R2的大小可以很方便地改變輸出電壓的大小，如果把R2設計成一個線性電阻網絡，通過模擬開關進行切換，就可以實現數控輸出電壓的要求[5]。線性電阻調節網絡如圖3所示，電路中選用8個電阻值依次倍增的精密電阻，模擬開關選擇常見的繼電器，通過按鍵輸入控制單片機P1口輸出的數字量控制繼電器的閉合與斷開，實現一種類似于數字量到模擬量的轉換網絡，來改變接入LM317調整端電阻的大小，從而改變輸出電壓大小。

圖3 線性電阻調節網絡

2.2.4 電壓顯示電路

譯碼顯示電路選用4位數碼管的動態顯示方式（如圖4所示）。將單片機的P2.0和P2.1口控制數碼管的段選和位選的選通，P0口實現對數碼管段選和位選的數據傳送。P0口既要輸出位選數據還要輸出段選數據，因此采用分時傳送方式，分別用兩個鎖存器74HC573保存對應的位選數據和段選數據;兩個鎖存器的工作分別通過單片機的P2.0和P2.1口來控制。

圖4 譯碼顯示電路

2.2.5 聲光指示電路

為了能指示輸出電壓的最大值、最小值，分別添加紅、綠LED指示燈;為了能指示按鍵的增減，添加蜂鳴器，按鍵每按下一次，就發出報警聲一次。

3 電路的軟件設計

直流穩壓電源系統是以單片機為核心控制電壓的調節與顯示，因此需要編寫相應軟件程序控制單片機有序工作。

根據以上電源系統的硬件特點和實現功能，軟件程序的結構可分為主程序和若干子程序[6]。主程序主要完成：系統初始化、數碼管顯示、按鍵是否按下，并跳轉到相應功能的子程序中去。主程序流程圖如圖5所示。子程序包括：系統初始化子程序、顯示數據處理子程序、數碼管顯示子程序、按鍵中斷子程序等。

圖5 主程序流程圖

4 電路的整體設計與仿真分析

單片機系統的仿真是Proteus軟件的一大特色。首先在Proteus中將上面硬件設計的各單元電路連接成一個完整的數控直流穩壓電源仿真電路（如圖6所示）;然后創建源代碼程序文件，并編輯該電源系統的程序源代碼;接著將源代碼編譯生成為目標代碼，將目標代碼添加到圖6中的單片機元件的屬性中，相當于在實際電路中對單片機下載目標程序;最后進行電路的調試仿真[7]。

圖6 整體設計仿真電路圖

圖6所示電路的仿真結果如下：當電路上電工作后，由于電阻網絡中沒有電阻接入LM317的調整端，數碼管上顯示出電壓為1.25V。當電壓增加按鍵按下時，單片機的外部中斷0產生中斷，蜂鳴器報警，電壓計數值增加1，接入的電阻網絡中的電阻值增加一個單位，相應的輸出電壓增加0.1V;保存數碼管結果的計數器值加1，P2.0端口選通譯碼顯示電路的位選鎖存器，送入相應的位選數據;P2.1端口選通譯碼顯示電路的段選鎖存器，送入段選數據;數碼管上顯示結果值增加0.1。當電壓增大到15V時，紅燈亮，顯示電壓值不變化，輸出電壓值也不再增加;當電壓減小到1.25V時，綠燈亮，顯示電壓值不變，輸出電壓也不再減小。

在仿真電路中增加虛擬測試儀器，如圖6中在穩壓輸出端Vout添加直流電壓表或者電壓探針，可以在仿真中實時觀測輸出電壓的變化數據[3]。

電路仿真輸出的理想結果是：電壓輸出大小從1.25V到15V變化，變化步進單位為0.1V;但實際上仿真結果是：數碼管上顯示結果與LM317輸出端接的電壓探針測量的電壓值有一點誤差。仿真測試數據如表1所示。

表1 仿真測試數據對比表

顯示值 測量值 誤差 顯示值 測量值 誤差 顯示值 測量值 誤差

1.35 1.356 -0.006 5.55 5.527 0.023 11.55 11.475 0.075

1.55 1.554 -0.004 5.95 5.924 0.026 11.95 11.871 0.079

1.95 1.951 -0.001 6.55 6.520 0.030 12.55 12.465 0.085

2.35 2.349 0.001 6.95 6.916 0.034 12.95 12.861 0.089

2.55 2.548 0.002 7.55 7.511 0.039 13.35 13.257 0.093

2.95 2.946 0.004 7.95 7.908 0.042 13.55 13.455 0.095

3.35 3.343 0.007 8.55 8.503 0.047 13.95 13.850 0.100

3.55 3.541 0.009 8.95 8.900 0.050 14.35 14.247 0.103

3.95 3.939 0.011 9.55 9.494 0.056 14.55 14.444 0.106

4.35 4.335 0.015 9.95 9.891 0.059 14.75 14.642 0.108

4.55 4.535 0.015 10.55 10.485 0.065 14.85 14.741 0.109

4.95 4.932 0.018 10.95 10.881 0.069 14.95 14.840 0.110

從仿真結果上看，隨著電壓的增加，數碼管輸出的理想結果與電壓探針輸出的結果誤差將逐漸增加，最大相對誤差為0.11V，即數碼管上顯示電壓值為14.95V時，電壓探針實時測量電壓值為14.840V。仿真結果說明該電路在精度要求不是很高的場合足以適合應用。

分析誤差的原因：（1）仿真軟件中的電路元件畢竟是模擬元件，不是真實電路，即使真實電路也會有一定的誤差;（2）顯示結果是直接將控制繼電器的數字信號通過單片機軟件顯示出來，而電壓探針測量的是LM317輸出端的電壓值，兩種的顯示位數、精度不同。當然實際輸出端的結果還取決于連接的電阻網絡中的電阻值的合理選取。通過仿真不但可以觀察輸出結果，還可以在仿真軟件中很容易修改電路并分析結果。

5 小結

本文利用Proteus軟件實現了一種數控穩壓直流電源的設計與仿真，無論設計過程還是仿真測試結果都達到了滿意的效果。該電路的設計與仿真作為電子類專業的綜合課程設計典型教學案例，在教學過程中應用Proteus仿真軟件對電路的設計方案及結果進行實時的仿真測試與分析，一方面仿真設計操作簡單，搭建電路、測試結果方便，修改設計快捷;另一方面在教學中增加了學生電路設計上的感性認識，便于對電路設計理論的理解，提高了學生的興趣。總之，利用Proteus仿真軟件能較好地完成設計任務，將之應用到相關課程教學中是一種新的教

學方法，有助于教師的教學和學生的自主學習。

參考文獻：

[1]王勇，曹磊.Proteus虛擬電子實驗室在教學中的應用研究[J].中國電力教育，2014（03）：124-125.

[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（04）：114-118.

[3]周潤景，張麗娜，丁莉.基于PROTEUS的電路及單片機設計與仿真（第二版）[M].北京航空航天大學出版社，2010.

[4]蔡順燕.基于AT89C52的數控直流穩壓電源設計[J].成都師范學院學報，2014（03）：112-115.

[5]唐金元，王翠珍.0～24V可調直流穩壓電源電路的設計方法[J].現代電子技術，2008（04）：12-14.

[6]周立功.單片機實驗與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[7]孫麗晶.基于ICCAVR和Proteus軟件平臺的AVR單片機設計開發流程[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2010，2（1）：103-105.

基金項目：湖北省教育廳教研項目（項目編號2012362）;湖北文理學院教研項目（項目編號JY201136）