第3章Proteus的虛擬仿真工具

3.1激勵源3.1.1直流信號發生器3.1.2正弦波信號發生器3.1.3脈沖發生器3.1.4指數脈沖發生器3.1.5單頻率調頻波發生器3.1.6分段線性激勵源3.1.7FILE信號發生器3.1.8音頻信號發生器3.1.9數字單穩態邏輯電平發生器3.1.10數字單邊沿信號發生器3.1.11單周期數字脈沖發生器3.1.12數字時鐘信號發生器3.1.13數字模式信號發生器3.2虛擬儀器3.2.1示波器3.2.2邏輯分析儀3.2.3計數器/定時器3.2.4虛擬終端3.2.5SPI調試器3.2.6I2C調試器3.2.7信號發生器3.2.8模式發生器3.2.9電壓表和電流表3.3圖表仿真3.2虛擬儀器

ProteusISIS為用戶提供了多種虛擬儀器，單擊工具箱中的按鈕，列出所有的虛擬儀器名稱，如圖3-33所示。其含義如表3-3所示。圖3-33虛擬儀器列表3.2.1示波器

1.放置虛擬示波器(1)在ProteusISIS環境中單擊虛擬儀器模式“VirtualInstrumentMode”按鈕圖標，出現如圖3-33所示的所有虛擬儀器名稱列表。(2)用鼠標左鍵單擊列表區的“OSCILLOSCOPE”，則在預覽窗口出現示波器的符號。(3)在編輯窗口單擊鼠標左鍵，出現示波器的拖動圖像，拖動鼠標指針到合適位置，再次單擊左鍵，示波器被放置到原理圖編輯區中去。虛擬示波器的原理符號如圖3-34所示。2.虛擬示波器的使用(1)示波器的四個接線端A、B、C、D應分別接四路輸入信號，信號的另一端應接地。該虛擬示波器能同時觀看四路信號的波形。(2)照圖3-35接線。把1kHz、1V的正弦激勵信號加到示波器的A通道。圖3-34虛擬示波器圖3-35正弦信號與示波器的接法(3)按仿真運行按鈕開始仿真，出現如圖3-36所示的示波器運行界面。可以看到，左面的圖形顯示區有四條不同顏色的水平掃描線，其中A通道由于接了正弦信號，已經顯示出正弦波形。圖3-36仿真運行后的示波器界面(4)示波器的操作區共分為以下六部分。ChannelA：A通道。ChannelB：B通道。ChannelC：C通道。ChannelD：D通道。Trigger：觸發。Horizontal：水平。①四個通道區：每個區的操作功能都一樣。主要有兩個旋鈕，“Position”用來調整波形的垂直位移；下面的旋鈕用來調整波形的Y軸增益，白色區域的刻度表示圖形區每格對應的電壓值。內旋鈕是微調，外旋鈕是粗調。在圖形區讀波形的電壓時，會把內旋鈕順時針調到最右端。②觸發區：其中“Level”用來調節水平坐標，水平坐標只在調節時才顯示。“Auto”按鈕一般為紅色選中狀態。“Cursors”光標按鈕選中后，可以在圖標區標注橫坐標和縱坐標，從而讀波形的電壓和周期，如圖3-37所示。單擊右鍵可以出現快捷菜單，選擇清除所有的標注坐標、打印及顏色設置。③水平區：“Position”用來調整波形的左右位移，下面的旋鈕調整掃描頻率。當讀周期時，應把內環的微調旋鈕順時針旋轉到底。圖3-37觸發區“Cursors”按鈕的使用3.2.2邏輯分析儀

邏輯分析儀“LOGICANALYSER”是通過將連續記錄的輸入信號存入到大的捕捉緩沖器進行工作的。這是一個采樣過程，具有可調的分辨率，用于定義可以記錄的最短脈沖。在觸發期間，驅動數據捕捉處理暫停，并監測輸入數據。觸發前后的數據都可顯示。因其具有非常大的捕捉緩沖器(可存放10000個采樣數據)，因此支持放大/縮小顯示和全局顯示。同時，用戶還可移動測量標記，對脈沖寬度進行精確定時測量。邏輯分析儀的原理符號如圖3-38所示。其中A0~A15為16路數字信號輸入，B0~B3為總線輸入，每條總線支持16位數據，主要用于接單片機的動態輸出信號。運行后，可以顯示A0~A15、B0~B3的數據輸入波形。圖3-38邏輯分析儀邏輯分析儀的使用方法如下：(1)把邏輯分析儀放置到原理圖編輯區，在A0輸入端上接10Hz的方波信號，A1接低電平，A2接高電平。(2)單擊仿真運行按鈕，出現其操作界面，如圖3-39所示。(3)先調整一個分辨率，類似于示波器的掃描頻率，在圖3-39中調捕捉分辨率“CaptureResolution”，單擊光標按鈕“Cursors”使其不顯示。按捕捉按鈕“Capture”，開始顯示波形，該鈕先變紅，再變綠，稍后顯示如圖3-39所示的波形。(4)調整水平顯示范圍旋鈕“DisplayScale”，或在圖形區滾動鼠標滾輪，可調節波形，使其左右移動。(5)如果希望的波形沒有出現，可以再次調整分辨率，然后單擊捕捉按鈕，就能重新生成波形。(5)如果希望的波形沒有出現，可以再次調整分辨率，然后單擊捕捉按鈕，就能重新生成波形。(6)“Cursors”光標按下后，在圖形區單擊，可標記橫坐標的數置，即可以測出波形的周期、脈寬等。圖3-39中可以觀察到，A0通道顯示方波，A1通道顯示低電平，A2通道顯示高電平，這兩線緊挨著。其他沒有接的輸入A3~A15一律顯示低電平，B0~B3由于不是單線而是總線，所以有兩條高低電平來顯示，如有輸入，波形應為我們平時分析存儲器讀寫時序時見到的數據或地址的波形。圖3-39邏輯分析儀的仿真界面3.2.3計數器/定時器

計數器/定時器“COUNTERTIMER”的原理符號及測試電路連線如圖3-40所示。CLK為外加的1kHz方波時鐘輸入。該儀器有如下三個輸入端。CLK：計數和測頻狀態時，數字波的輸入端。CE：計數使能端(CounterEnable)，可通過計數器/定時器的屬性設置對話框設為高電平或低電平有效，當此信號無效時，計數暫停，保持目前的計數值不變，一旦CE有效，計數繼續進行。RST：復位端(RESET)，可設為上升沿(Low-High)或下降沿(High-Low)有效。當有效沿到來時，計時或計數復位到0，然后立即從0開始計時或計數。該儀器有四種工作方式，可通過屬性設置對話框中的“OperatingMode”來選擇，如圖3-41所示。Default：缺省方式，系統設置為計數方式。Time(secs)：定時方式，相當于一個秒表，最多計100秒，精確到1微秒。CLK端無需外加輸入信號，內部自動計時。由CE和RST端來控制暫停或重新從零開始計時。圖3-40計數器/定時器電路圖3-41計數器/定時器的工作方式設置Default：缺省方式，系統設置為計數方式。Time(secs)：定時方式，相當于一個秒表，最多計100秒，精確到1微秒。CLK端無需外加輸入信號，內部自動計時。由CE和RST端來控制暫停或重新從零開始計時。Time(hms)：定時方式，相當于一個具有小時、分、秒的時鐘，最多計10小時，精確到1毫秒。CLK端無需外加輸入信號，內部自動計時。由CE和RST端來控制暫停或重新從零開始計時。Frequency：測頻方式，在CE有效和RST沒有復位的情況下，能穩定顯示CLK端外加的數字波的頻率。Count：計數方式，能夠計外加時鐘信號CLK的周期數，如圖3-40中的計數顯示，最多計滿八位，即99999999。下面來看一下計數器/定時器的兩個應用示例。(1)照圖3-42接線(外部時鐘輸入不接)，雙擊計數器/定時器元件，打開其屬性設置對話框，如圖3-43所示。設操作模式為“Time(hms)”，即時鐘方式；計時使能端設為“High”高電平有效，即開關合上為低電平時計時暫停；復位端設為“Low-High”，即上升沿有效。

圖3-42計時模式的電路仿真運行仿真，可顯示如圖3-42所示的計時方式，合上圖中與CE相接的開關，則計時停止，打開開關則繼續計時；合上與RST相接的開關再打開，計時清零后從零重新計時。圖3-43定時器的屬性設置(2)把計數器/定時器的屬性照圖3-44修改，設操作方式為“Frequency”測頻，其他不變，照圖3-45連接，設外接數字時鐘的頻率為1kHz，圖中兩個開關位于打開狀態，運行仿真，出現如圖3-45所示的測頻結果。撥動兩個開關可以看到使能和清零的效果。圖3-44頻率計的屬性設置圖3-45測頻時的電路仿真3.2.4虛擬終端

ProteusVSM提供的虛擬終端相當于鍵盤和屏幕的雙重功能，免去了上位機系統的仿真模型，使用戶在用到單片機與上位機之間的串行通信時，直接由虛擬終端經RS232模型與單片機之間異步發送或接收數據。虛擬終端在運行仿真時會彈出一個仿真界面，當由PC機向單片機發送數據時，可以和實際的鍵盤關聯，用戶可以從鍵盤經虛擬終端輸入數據；當接收到單片機發送來的數據后，虛擬終端相當于一個顯示屏，會顯示相應信息。虛擬終端的原理圖符號如圖3-46所示。虛擬終端共有四個接線端，其中RXD為數據接收端，TXD為數據發送端，RTS為請求發送信號，CTS為清除傳送，是對RTS的響應信號。在使用虛擬終端時，首先要對其屬性參數進行設置。雙擊元件，出現如圖3-47所示的虛擬終端屬性設置對話框。圖3-46虛擬終端的原理圖符號圖3-47虛擬終端屬性設置對話框主要參數有下面幾個。BaudRate：波特率，范圍為300～57600b/s。DataBits：傳輸的數據位數，7位或8位。Parity：奇偶校驗位，包括奇校驗、偶校驗和無校驗。StopBits：停止位，具有0、1或2位停止位。SendXON/XOFF：第9位發送允許/禁止。選擇合適參數后，單擊“OK”按鈕，關閉對話框。運行仿真，彈出如圖3-48所示的虛擬終端的仿真界面。用戶在圖3-48所示的界面中可以看到從單片機發送來的數據，并能夠通過鍵盤把數據輸入該界面，然后發送給單片機。虛擬終端的具體應用實例，讀者可以參考本書第七章的7.11節。圖3-48虛擬終端的仿真界面3.2.5SPI調試器SPI(SerialPeripheralInterface，串行外設接口)總線系統是Motorola公司提出的一種同步串行外設接口，允許MCU與各種外圍設備以同步串行通信方式交換信息。SPIProtocolDebugger(SPI調試器接口)同時允許用戶與SPI接口交互。這一調試器允許用戶查看沿SPI總線發送的數據，同時也可向總線發送數據。圖3-49為SPI調試器的原理圖符號。此元件共有五個接線端。分別如下。DIN：接收數據端。DOUT：輸出數據端。SCK：連接總線時鐘端。：從模式選擇端，從模式時必須為低電平才能使終端響應；主模式時當數據正傳輸時此端為低電平。TRIG：輸入端，能夠把下一個存儲序列放到SPI的輸出序列中。雙擊SPI的原理圖符號，可以打開它的屬性設置對話框，如圖3-50所示。

圖3-49SPI的原理圖符號圖3-50SPI屬性設置對話框對話框主要參數如下。SPIMode：有三種工作模式可選擇，Monitor為監控模式，Master為主模式，Slave為從模式。MasterclockfrequencyinHz：主模式的時鐘頻率(Hz)。SCKIdlestateis：SCK空閑狀態為高或者低，選擇一個。Samplingedge：采樣邊，指定DIN引腳采樣的邊沿，選擇SCK從空閑到激活狀態，或從激活到空閑狀態。Bitorder：位順序，指定一個傳輸數據的位順序，可先傳送最高位MSB，也可先傳送最低位LSB。1.使用SPI調試器接收數據(1)將SCK和DIN引腳連接到電路的相應端。(2)將光標放置在SPI調試器之上，并使用組合鍵“Ctrl+E”打開屬性設置對話框進行參數設置，設SPI為從模式，時鐘頻率與外時鐘一致。(3)運行仿真，彈出SPI的仿真調試窗口，如圖3-51所示。(4)接收的數據將顯示在窗口。圖3-51SPI調試器的仿真界面2.使用SPI調試器傳輸數據(1)將SCK和DIN引腳連接到電路的相應端。(2)將光標放置在SPI調試器之上，并使用組合鍵“Ctrl+E”打開屬性設置對話框進行參數設置，把調試器設置為主模式。(3)單擊仿真按鈕，彈出SPI的仿真調試窗口。(4)單擊仿真按鈕的暫停鍵“Pause”，在調試窗口的右下方輸入需要傳輸的數據。單擊“Queue”按鈕輸入的數據將被放入到數據傳輸隊列“BufferedSequences”中，如圖3-52所示，再次單擊仿真運行按鈕，數據發送出去。也可以按“Add”按鈕把數據暫放到預傳輸序列中備用，需要時加到傳輸隊列中。(5)數據發送完后，“BufferedSequences”清空，其上方的窗口顯示發送信息，如圖3-53所示。圖3-52SPI調試器的數據傳輸圖3-53SPI調試器的數據傳輸后的狀態3.2.6I2C調試器

1.I2C總線介紹I2C總線是Philips公司推出的芯片間的串行傳輸總線。它只需要兩根線(串行時鐘線SCL和串行數據線SDA)就能實現總線上各元器件的全雙工同步數據傳送，可以極為方便地構建系統和外圍元器件擴展系統。I2C總線采用元器件地址的硬件設置方法，避免了通過軟件尋址元器件片選線的方法，使硬件系統的擴展簡單靈活。按照I2C總線規范，總線傳輸中的所有狀態都生成相應的狀態碼，系統的主機能夠依照狀態碼自動地進行總線管理，用戶只要在程序中裝入這些標準處理模塊，根據數據操作要求完成I2C總線的初始化，啟動I2C總線，就能自動完成規定的數據傳送操作。由于I2C總線接口集成在片內，用戶無須設計接口，使設計時間大為縮短，且從系統中直接移去芯片對總線上的其他芯片沒有影響，方便了產品的升級。2.I2C調試器虛擬儀器中的I2CDEBUGGER就是I2C調試器，允許用戶監測I2C接口并與之交互，用戶可以查看I2C總線發送的數據，同時也可向總線發送數據。3.I2C調試器的使用I2C調試器的原理圖符號如圖3-54所示。I2C調試器共有三個接線端，分別如下。SDA：雙向數據線。SCL：雙向輸入端，連接時鐘。TRIG：觸發輸入，能引起存儲序列被連續地放置到輸出隊列中。雙擊該元件，打開屬性設置對話框，如圖3-55所示。主要參數如下。Addressbyte1：地址字節1，如果使用此終端仿真一個從元件，則這一屬性指定從器件的第一個地址字節。Addressbyte2：地址字節2，如果使用此終端仿真一個從元件，并期望使用10位地址，則這一屬性指定從器件的第二個地址字節。I2C調試器的仿真運行界面與SPI類似，不再詳細介紹。圖3-54I2C調試器的原理圖符號圖3-55I2C調試器屬性設置對話框3.2.7信號發生器

Proteus的虛擬信號發生器主要有以下功能：產生方波、鋸齒波、三角波和正弦波；輸出頻率范圍為0~12MHz，8個可調范圍；輸出幅值為0~12V，4個可調范圍；幅值和頻率的調制輸入和輸出。信號發生器的原理圖符號如圖3-56所示

圖3-56信號發生器原理圖符號它有兩大功能，一是輸出非調制波，二是輸出調制波。通常使用它的輸出非調制波功能來產生正弦波、三角波和鋸齒波，方波直接使用專用的脈沖發生器來產生比較方便，主要用于數字電路中。在用作非調制波發生器時，信號發生器的下面兩個接頭“AM”和“FM”懸空不接，右面兩個接頭“＋”端接至電路的信號輸入端，“－”端接地。仿真運行后，出現如圖3-57所示的界面。圖3-57信號發生器仿真運行后的界面最右端兩個方形按鈕，上面一個用來選擇波形，下面一個選擇信號電路的極性，即是雙極型(Bi)還是單極型(Uni)三極管電路，以和外電路匹配。最左邊兩個旋鈕用來選擇信號頻率，左邊是微調，右邊是粗調。中間兩個旋鈕用來選擇信號的幅值，左邊是微調，右邊是粗調。如果在運行過程中關閉掉信號發生器，則需要從主菜單【Debug】中選取最下面【VSMSignalGenerator】來重現。Proteus的虛擬信號發生器還具有調幅波和調頻波輸出功能。無論是哪種調制，調制電壓都不能超過±12V，且輸入阻抗要足夠大。調制信號從下面兩個端子中的一個輸入，調制波從右面的“＋”端輸出。下面我們先來看一看如何輸出一個調幅波。照圖3-58連接電路，把一個1.5V的直流電源和一個1kHz的正弦波進行調制，輸出波形如圖3-59右圖所示。圖3-59左圖中是沒有加調制電壓的非調制正弦波的波形，可以看到，調制后正弦波的幅值變大了。圖3-58信號發生器的調幅功能接線圖圖3-59調幅波與非調幅波的波形對比產生調頻波的電路如圖3-60所示。我們在信號發生器的“FM”端接一個2V、100Hz的交流信號，運行后，使信號發生器調至2V、120kHz，觀察到示波器的波形，如圖3-61所示。圖3-60調頻波產生電路圖3-61調頻波3.2.8模式發生器

1.模式發生器的特點模式發生器(PatternGenerator)是模擬信號發生器的數字等價物，它支持8位1KB的模式信號，同時具有以下特性：既可以在基于圖表的仿真中使用，也可以在交互式仿真中使用；支持內部和外部時鐘模式及觸發模式；使用游標調整時鐘刻度盤或觸發器刻度盤；十六進制或十進制柵格顯示模式；在需要高精度設置時，可直接輸入指定的值；可以加載或保存模式腳本文件；可單步執行；可實時顯示工具包；可使用外部控制，使其保持當前狀態；柵格上的塊編輯命令使得模式配置更容易。2.模式發生器的使用(1)模式發生器原理圖符號及引腳說明模式發生器的原理圖符號如圖3-62所示，各接線端含義如下。CLKIN：外部時鐘信號輸入端，系統提供兩種外部時鐘模式。HOLD：外部輸入信號，用來保持模式發生器目前狀態，高電平有效TRIG：觸發輸入端，用于將外部觸發脈沖信號反饋到模式發生器。系統提供五種外部觸發模式。OE：輸出使能信號輸入端，高電平有效，模式發生器可輸出模式信號。CLKOUT：時鐘輸出端，當模式發生器使用的是外部時鐘時，可以用于鏡像內部時鐘脈沖。CASCADE：級連輸出端，用于模式發生器的級連，當模式發生器的第一位被驅動，并且保持高電平時，此端輸出高電平，保持到下位被驅動之后一個周期時間。B[0..7]和Q0～Q7分別為數據輸入和輸出端。圖3-62模式發生器原理圖符號(2)模式發生器的屬性設置對話框主要參數說明雙擊模式發生器的原理圖符號，則彈出其屬性設置對話框，如圖3-63所示。圖3-63模式發生器屬性設置對話框模式發生器的屬性設置對話框主要有以下參數。ClockRate：時鐘頻率。ResetRate：復位頻率。ClockMode：時鐘模式，以下有三種。Internal：內部時鐘；ExternalPosEdge：外部上升沿時鐘；ExternalNegEdge：外部下降沿時鐘。ResetMode：復位模式，共五種。Internal：內部復位；AsyncExternalPosEdge：異步外部上升沿脈沖；syncExternalPosEdge：同步外部上升沿脈沖；AsyncExternalNegEdge：異步外部下降沿脈沖；syncExternalNegEdge：同步外部下降沿脈沖。ClockoutEnabledinInternalMode：內部模式下時鐘輸出使能。OutputConfiguration：輸出配置，共三種。OutputtoBothPinsandBus：引腳和總線均輸出；OutputtoPinsOnly：僅在引腳輸出；OutputtoBusOnly：僅在總線輸出。OutputGeneratorScript：模式發生器腳本文件。(3)模式發