Proteus 在电子设计中的应用

洪月好

(上海电力学院计算机与信息工程学院，上海 200090)

传统的电子设计流程是先设计电路图、购买元器件，然后制板、调试，最后进行测试.这个过程一般需要反复多次进行，以达到设计要求.若采用EDA技术，则在原理图设计阶段就可以进行评估，验证所设计的电路是否达到要求的技术指标，还可以通过改变元器件参数使整个电路的性能最优化，大大节省了设计时间与经费，提高了设计效果和质量［1］.

Proteus软件是由英国Labcenter公司开发的，是目前世界上最先进最完善的电路设计与仿真平台之一［2，3］.Proteus 仿真软件具有国际通用的虚拟仪器及电子元器件库，可以仿真模拟电路、数字电路，以及数字、模拟混合电路［4］.

硬件系统在Proteus中的设计流程都是一样的［5］:首先根据构思好的硬件系统电路图从元器件库选取相应的元器件放到图纸适当位置，并对元器件的名称、标注进行设定，再根据元器件之间的走线等联系对元器件在工作平面上的位置进行调整和修改，使得硬件系统电路原理图更加美观、易懂;然后根据实际电路的需要，利用Proteus的各种工具进行布线，用导线把元器件连接起来，画电路的操作手法基本与其他EDA软件类似;最后直接通过仿真按钮“DEBUG-EXECUTE”进行仿真.本文通过两个实例进行详细说明.

1 抢答器设计

实现一个4输入抢答器，要求具有以下功能:当有抢答者首先按下抢答开关时，相应显示灯亮并伴有声响(间断)，同时显示其组号和当前时间，抢答器不再接收其他组的抢答信号;电路具有时间控制功能，在限定时间9 s后无人抢答时，该题作废，用声响提示(间断);无人抢答时，可以显示顺计时的时间.其电路原理如图1所示.

图1 抢答器原理示意

(1)CP模块 即时钟模块，是由555定时器构成的多谐振荡器，要求频率适当大，可以及时反应抢答者的按下动作，其电路如图2所示.

(2)抢答模块 由4D触发器74LS175和其他门电路构成，Q0～Q3控制led灯显示，P1～P4控制显示模块显示组号，SHOW信号控制显示模块，使74LS48可以接受输入，完成没人抢答或复位时无显示的功能.HOLD信号用于控制声音模块报警和停止计时.HOLD和TIMEOUT端控制CP的输入，以达到有人抢答后其他人无法抢答和计数到时不许再抢答的功能.模块功能见图3.

图2 CP模块

图3 抢答模块

(3)计时模块 采用十进制计数器74LS160实现计数功能，见图4.TIMEOUT信号控制 1 HzCP信号的输入，即计数到9时不会倒回0再计时，也控制计数结束时抢答模块不许再抢答，同时声音模块报警.HOLD信号停止计时，RESET信号复位.

(4)显示模块 由八进制优先编码器74LS148、七段共阴数码驱动器74LS48和共阴数码管构成，由抢答模块的SHOW信号控制数码管在没人抢答或复位时无显示.其电路如图5所示.

(5)声音模块 由74LS20和74LS00构成的门电路在接收抢答后报警信号HOLD和计时结束时报警信号TIMEOUT，只要接受到两者中的一个就打开1 HzCP信号进入的控制端，使蜂鸣器间断发声.其电路如图6所示.

图4 计时模块

以上各模块电路都实现后，根据模块之间的关系连接成系统，进行系统电路的仿真.首先打开开关SW，即表示抢答开始，此时计时模块开始计数;然后打开1～4开关中的一个(如打开开关2)，即表示在规定时间内有选手抢答;此时显示模块会显示选手编号(如2)，选手对应的灯亮，且蜂鸣器响;如果规定时间内未有选手抢答，则蜂鸣器响，表示此题作废.

仿真结果证实了设计的正确性和可实现性，且该设计能够有效指导实际电路的操作.Proteus的器件库非常齐全，使得修改电路和元器件参数非常容易.但Proteus调用元器件不是很方便，如调用一个最基本的电阻需要先到Libraby中搜索，搜到后才能调用，并不像其他EDA软件可以直接在便捷栏中取用.

图5 显示模块

图6 声音模块

2 直流稳压电源设计

直流稳压电源是电子设备中的重要组成部分，用于将交流电压变成稳定的直流电压.一般小功率直流电源由电源变压器、整流滤波电路和稳压电路等组成.整流电路将交流电压变换成单向脉动的直流电压;滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压;稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定.对直流稳压电路的主要要求是:输入电压变化和负载变化时，输出电压应保持稳定，即直流电源的电压调整率及输出电阻越小越好.

实现一个220 V交流电压输入，输出+5 V，+12 V，－12 V 3路直流电压的直流稳压电源.电路由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4部分组成.电源变压器是降压变压器，将电网220 V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路.整流电路采用二极管单向全波整流电路，利用单向导电元件，把50 Hz的正弦交流电压变换成脉动直流电.滤波电路采用电容滤波电路，利用电容两端的电压不能突变的特点，将整流电路输出电压中的交流成分大部分滤除，从而得到比较平滑的直流电压，实现输出波形基本平滑.稳压电路采用集成三端稳压器电路，其功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化.

由于输入的是220 V交流电压，实际操作中存在一定的危险性，所以有必要事先通过软件进行仿真，这样做可以避免器件的不必要损毁.设计步骤与抢答器基本相同.首先按照原理图在Proteus中进行仿真，根据仿真结果调整电路参数，仿真电路如图7所示;然后根据仿真后的电路图，在板上焊接电路;最后进行调试，完成设计.

图7 直流电源仿真示意

根据设计要求选择集成三端稳压器，其中7805输出+5 V直流电压、7812输出+12 V直流电压、7905输出－5 V直流电压，稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、性能优良、不易损坏、使用方便等优点.设计中由于滤波电路的电解电容数值较大，而大容量电解电容有一定的绕制分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端并入瓷介质小容量电容来抵消电感效应，从而抑制高频干扰.

在使用Proteus软件画电路图的过程中，由于7905与7805的引脚不同，为了使图较为简洁，可以根据需要调整芯片的引脚，并直接在电路图上替换原来的芯片，而不需要删除，体现了该软件的方便实用性.从仿真结果中发现，采用单相整流后由电容进行分压的电路(图7中下半部电路)会存在地电位的偏移，导致正负电源不对称，如图7所示结果为 +5.00 V 和 －5.02 V.

3 结语

利用Proteus进行电子电路的设计与仿真，使常规实验室资源利用更加高效，大大降低了电子设计中的耗材损坏和浪费现象，节约了材料上的投入经费，同时提高了电子设计的成功率.而且通过仿真分析，使学生对电路的原理有了更好的理解和掌握，对电子设计更感兴趣.

另外，Proteus最大的特点在于可以对微处理器及其外围器件一起进行仿真分析，直接在基于原理图的虚拟原型上编程以实现软件源码级的实时调试等.在基于单片机的设计中也可以利用Proteus进行仿真分析.

［1］吴小花，吴先求.Proteus电路设计与仿真在教学中的实践［J］.计算机系统应用，2010，19(2):33-36.

［2］孙浩.PR0TEUS软件在设计电子电路中的应用［J］.仪表技术，2009(8):74-75.

［3］陈骏莲.PROTEUS7在电子技术综合实验中的应用［J］.实验科学与技术，2008(3):65-68.

［4］王靖.Proteus仿真在模拟电子技术课程中的应用［J］.电脑知识与技术，2009，7(19):5 333-5 334.

［5］秦纯鹰.Proteus仿真在数字电路项目教学中的应用［J］.科技信息，2009(18):514-515.