protues VSM 图形仿真帮助

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2.2 graphs tutorial

2.2 graphs tutorial

2.2.1 介绍

本教程的目的是通过简单的放大器电路向您展示如何使用Proteus VSM执行基于图形的仿真。它会逐步引导您完成以下任务：

放置图形，探针和生成器。
执行实际的模拟。
使用图形显示结果并进行测量。
对某些可用分析类型的调查。

本教程未涵盖一般意义上的ISIS的使用-比如：放置组件，对其进行布线，标记对象等的过程。它是《交互式仿真指南》在某种程度上的扩展，展示了在ISIS手册中没有呈现的一些内容。手册本身。如果尚未熟悉ISIS的使用，则必须先暂缓使用本教程转而先熟悉ISIS中一些基础操作。

我们强烈建议您在尝试进行基于图的模拟之前，按照本教程的方法进行操作：掌握概念后，可以更轻松地吸收参考章节中的内容，并在以后的工作中节省大量时间，避免不必要的失败。

2.2.2 入门

我们将要模拟的电路是基于741运算放大器的音频放大器，如下所示。它显示了741的不同寻常的配置，仅通过5伏电源供电。将反馈电阻R3和R4级的增益设置为大约10。输入偏置分量R1，R2和C1在同相输入上设置了错误的接地参考，该参考与输入信号分离。

通常情况下，我们将对电路进行瞬态分析。这种分析形式最有用，可以提供有关电路的大量信息。用瞬态分析完成对仿真的描述后，将对比其他形式的分析。

如果需要，您可以自己绘制电路，也可以通过Proteus安装中的“文件”菜单->“打开示例”->“教程”->“Analogue Simulation Tutorial (Part 1)”来加载现成的设计文件。无论您选择什么，此时都要确保已运行ISIS并绘制了电路

2.2.3 脉冲发生器

为了测试电路，我们需要为其提供合适的输入。我们将使用具有方波输出的电压源作为测试信号。生成器对象将用于生成所需的信号。

单击“生成器模式”图标：对象选择器显示可用生成器类型的列表。对于我们的仿真，我们需要一个脉冲发生器。选择脉冲类型，将鼠标移到IN端子右侧的编辑窗口，然后在导线上单击左以放置发生器。

生成器对象与ISIS中的其他大多数对象一样。进行与放置之前预览和定向生成器以及在放置之后编辑，移动，重新定向或删除对象的过程相同的步骤（请参阅参考手册中的“生成器和探针”）。

就像我们刚才所做的那样，除了与现有的电线连接之外，还可以将脉冲发生器放置在板上，并以正常方式进行布线。如果将生成器从电线上拖出，则ISIS会假定您要分离它，并且不会像将电线与组件一样拖拽电线。

注意：如何自动为发生器分配参考-端子名称IN。只要将脉冲发生器连接到对象（或直接放置在现有电线上），就会为其分配与其连接的网络的名称。如果网络没有名称，则默认使用最近的组件引脚的名称。

最后，我们必须编辑发生器以定义所需的脉冲形状。要编辑生成器，请右键单击它，然后从出现的上下文菜单中选择“ 编辑属性 ”。选择“高电压”字段并将其值设置为10mV。同时将脉冲宽度设置为0.5s。

选择确定按钮以接受更改。

对于该电路，仅需要一个发电机，但是对可放置的数量没有限制。

2.2.4 探针

使用发生器定义了电路的输入后，我们现在必须将探针放置在我们希望监视的点上。显然，我们对输出感兴趣，其偏置后的输入也是探测的有用点。如果需要，可以始终在关键点添加更多探针，并重复进行仿真。

要放置探针，请在“电压探针”图标上单击鼠标左键（确保您没有意外选择电流探针-我们稍后会介绍）。可以按照与发生器相同的方式将探针放置在导线上，或者先放置再布线。将鼠标移到编辑窗口U1引脚3的左侧，然后单击向左以将探针放在将引脚3连接到R1和R2的电线上。请确保将探针放在电线上，因为它不能放在针脚上。请注意，它获取的名称是它所连接的最近设备的名称，并在括号中标明了引脚名称。现在，通过在连接点和端子引脚之间的导线上的OUT端子的左侧单击左键，放置第二个探针。

探针对象就像ISIS中的生成器和大多数其他对象一样。在放置之前预览和定向探针以及在放置之后编辑，移动，重新定向或删除探针的相同步骤（有关更多信息，请参阅参考手册中的“探针”部分）。可以编辑探针以更改其参考标签。在此例中，默认分配的名称是可以的，但是在标记探针时一个有用的技巧是针对探针的尖端，而不是主体或参考标签。

现在我们已经准备好进行仿真的电路，我们需要放置一个图形以显示结果。

2.2.5 图表

图形在模拟中起着重要的作用：它们不仅充当结果的显示介质，而且实际上定义了要执行的模拟。通过放置一个或多个图形并指示您希望在图形上看到的数据类型（数字，电压，阻抗等），ISIS知道要执行哪种类型的仿真以及需要包括在电路的哪些部分中模拟。对于瞬态分析，我们需要一个模拟类型图。为了将其与“数字图”类型区分开来，将其称为模拟而不是瞬态，后者用于显示数字分析的结果，而数字分析实际上是瞬态分析的一种特殊形式。可以使用“混合图形”在相同的时间轴上显示两者。

要放置图形，请首先选择“图形模型”图标：“对象选择器”显示可用图形类型的列表。选择ANALOGUE类型，将鼠标移到编辑窗口，单击一次以开始放置，拖出适当大小的矩形，然后单击第二次以放置图形。

图的行为类似于ISIS中的大多数对象，尽管它们确实有一些微妙之处。我们将介绍与本教程相关的功能，详细信息可参考帮助手册。您可以使用鼠标左键以通常的方式标记图形，然后（使用鼠标左键）拖动其中一个手柄或图形，以调整图形的大小和/或重新放置图形。

现在，我们需要将生成器和探针添加到图形上。每个发生器都有一个与之关联的探头，因此无需将探头直接放在发生器上即可查看输入波形。有三种向图添加探针和生成器的方法：

第一种方法是标记探针/发生器，然后将其拖动到图形上并释放它-就像我们在重新放置对象一样，对每个探针/发生器重复此操作。ISIS检测到您正在尝试将探针/生成器放置在图形上，将探针/生成器恢复到其原始位置，并向图形添加一条与探针/生成器相同的参考线。轨迹可能与模拟图中的左轴或右轴相关联，并且探针/发生器将添加到最靠近其掉落边的轴上。无论将探针/发生器放在何处，新的迹线总是添加在任何现有迹线的底部。

将探针/生成器添加到图形的第二种方法和第三种方法都使用图形菜单上的“添加跟踪”命令。此命令总是将探针添加到当前图形（当有多个图形时，当前图形是“图形”菜单上当前选择的图形）。

如果在没有任何标记探针或生成器的情况下调用“添加跟踪”命令，则会显示“添加瞬态跟踪”对话框形式，并且可以从设计中所有探针的列表中选择一个探针（包括其他原理图图纸上的探针）。

如果存在标记的探针/生成器，则调用“添加跟踪”命令会提示您将标记的探针快速添加到当前图形；选择“取消”选项将调用“添加瞬态跟踪”对话框，如前所述。选择“确定”选项，会将所有标记的探针/发生器按字母顺序添加到当前图形。

我们将快速将探针和生成器添加到图形中。可以单独标记探针和发生器，或者更快地在整个电路上拖动标签框-快速添加功能将忽略探针和发生器以外的所有已标记对象。从“图形”菜单中选择“添加跟踪”选项，然后对提示回答“是”。迹线将出现在图形上（因为只有一个图形，并且它是最后使用的图形，因此被视为当前图形）。此刻，迹线由一个名称（在轴的左侧）和一个空的数据区域（图的主体）组成。如果迹线没有出现在图形上，则可能对于ISIS来说太小而无法插入。通过标记图形并拖动角点来调整图形大小以使其足够大。

碰巧的是，我们的痕迹（按字母顺序排列）已经以合理的顺序出现。但是，我们可以改组有关的痕迹。为此，请确保未标记图形，然后在要移动或编辑的跟踪的名称上单击鼠标左键。跟踪被突出显示以表明它已被标记。现在，您可以使用鼠标左键上下拖动轨迹或编辑轨迹（通过在不移动鼠标的情况下单击鼠标左键），并使用右键单击删除轨迹（即从图形中删除轨迹）。要取消标记所有迹线，请在图形上的任意位置单击鼠标左键，但不要在迹线标签上方单击（这将标记或删除迹线）。

在开始仿真之前，需要完成最后一项设置，这是设置仿真运行时间。ISIS将根据图形x刻度上的结束时间来模拟电路，对于新图形，默认为一秒钟。为了我们的目的，我们希望输入方波具有相当高的音频频率，例如大约10kHz。这总共需要100ms。标记图形并在其上单击以调出其“编辑瞬态图形”对话框。该表单的字段可让您为图形添加标题，指定其模拟开始和停止时间（它们对应于x轴的最左侧和右侧的值），标记左侧和右侧的轴（这些不会显示在数字图上）并指定模拟运行的常规属性。

现在可以进行仿真了。此时，为了避免前面的错误，需要加载我们的设计版本（“打开示例”->“教程”->“ Analogue Simulation Tutorial (Part 2)”）。或者，您可能希望继续自己输入的电路，并且仅在出现问题时才加载默认文件

2.2.6 模拟

要模拟电路，您需要做的就是在“图形”菜单上调用“模拟”命令（或使用其键盘快捷键：空格键）。使用“仿真”命令可以对电路进行仿真，并使用仿真结果更新当前图形（“图形”菜单上标记的图形）。

现在就做。状态栏指示模拟过程已达到多远。模拟完成后，将使用新数据重新绘制图形。对于当前版本的ISIS和模拟器内核，将忽略图形的开始时间-模拟始终从零开始，一直运行到达到停止时间或直到模拟器达到静止状态为止。您可以通过按ESC键中止模拟。

为最后执行的仿真保留一个仿真日志。您可以通过单击原理图框架左下方的模拟顾问程序来查看此日志。除非报告警告或错误，否则模拟模拟的模拟日志很少会令人兴奋地阅读，在这种情况下，您可以在其中找到具体出了什么问题的详细信息。但是，在某些情况下，模拟日志会提供有用的信息，这些信息很难从图形跟踪中获得。

至此，第一模拟完成。查看图上的痕迹，很难看到任何细节。为了检查电路是否按预期工作，我们需要进行一些测量。

2.2.7 进行测量

位于原理图上，电路旁的图形处于最小化状态。当要进行时序测量，我们必须首先最大化图形。为此，右键单击图形，然后从出现的上下文菜单中选择最大化选项。

这将在新选项卡中打开图形，并更改菜单和图标以包括适用于图形的功能。

在屏幕的左侧是一个区域，其中显示了轨迹标签，在轨迹的右侧是轨迹本身。放置光标后，数据和增量值将显示在图形的底部。由于这是一个新图形，并且我们尚未进行任何测量，因此图形上没有可见的光标，并且状态栏仅显示标题消息。

迹线采用颜色编码，以匹配其各自的标签。OUT和U1（POS IP）迹线聚集在显示屏的顶部，而IN迹线位于底部。要更详细地查看这些迹线，我们需要将IN迹线与其他两条迹线分开。这可以通过使用鼠标左键将跟踪标签拖动到屏幕的右侧来实现。这将导致出现右y轴，该轴与左方向分别缩放。现在，IN轨迹看起来要大得多，但这是因为ISIS为右轴选择了比左轴更精细的缩放比例。为了弄清楚该图，也许最好完全删除IN迹线，因为U1（POS IP）同样有用。在IN标签上单击鼠标右键，然后选择Delete Trace。现在，图形恢复为左侧的单个y轴。

我们将测量两个量：

电路的电压增益。
输出的近似下降时间。

这些测量是使用游标进行的。

每个图形都有两个光标，称为“参考”和“主”光标。参考光标显示为红色，主光标显示为绿色。光标始终被“锁定”到轨迹，光标被锁定的轨迹由小“ X”表示，该“ X”占据波形。x轴和y轴上的小标记都将沿’X’的位置移动，以方便准确地读取轴。如果使用键盘移动，光标将移动到x轴的下一个小格。

让我们开始放置“参考”光标。相同的键/操作用于访问“参考”和“主”光标。实际受影响的是使用键盘上的CTRL键选择的；引用光标（这是两者中使用最少的）始终可以通过按下CTRL键（在键盘上）来访问。要放置光标，您所需要做的就是指向您要将光标锁定到的跟踪数据（不是跟踪标签，这是用于其他目的），然后单击向左。如果按下CTRL键，则将放置（或移动）“参考”光标；如果CTRL键没有按下，则将放置（或移动）主光标。按住鼠标按钮（以及“参考”光标的CTRL键）的同时，您可以向左右拖动光标。因此，按住（并按住）CTRL键，将鼠标指针移动到图形的两条轨迹上方的右侧，然后按鼠标左键。出现红色的参考光标。将光标（仍然按住CTRL键的同时向下）拖动到x轴上大约70u或80u。状态栏上的标题将被删除，现在将显示光标时间（左侧为红色）和光标电压以及相关迹线的名称（右侧）。这是我们想要的U1（POS IP）跟踪。

您可以使用左右光标键在X方向上移动光标，也可以使用上下光标键将光标锁定到上一个或下一个轨迹。左键和右键分别将光标移动到x轴的左或右极限。按住控制键的同时，尝试按键盘上的向左和向右箭头键，使“参考”光标沿时间轴上的小格移动。

现在，将主光标放在20u到30u之间的OUT轨迹上。该过程与上面的“参考”光标完全相同，不同之处在于您无需按住CTRL键。现在，主光标的时间和电压（绿色）已添加到状态栏中。

还显示两个光标位置之间的时间和电压差异。电压差应小于100mV。输入脉冲为10mV高，因此放大器的电压增益为10。请注意，该值是正值，因为主光标位于参考光标上方-在增量读数中，该值为主减去参考。

我们还可以通过将光标定位在输出脉冲下降沿的任一侧来使用相对时间值来测量下降时间。这可以通过使用鼠标拖动或使用光标键（不要忘记“参考”光标的CTRL键）来完成。主光标应变直，应位于曲线的右侧，而参考光标应位于下降沿开始处的拐角处。您会发现下降沿不到10m。

2.2.8 使用电流探头

既然我们完成了测量，就可以返回电路了-只需关闭选项卡右侧交叉点的最大化图即可。

现在，我们将使用电流探针通过测量流入R4的电流来检查反馈路径周围的电流。

电流探头的使用方式与电压探头类似，但有一个重要的区别。电流探针需要具有与其相关的方向。电流探头的工作原理是有效地折断一根电线，并将其插入到间隙中，因此它们需要知道走哪条路。只需通过放置它们的方式即可完成。在默认方向（向右倾斜）上，电流探头会测量水平导线中从左到右的电流。要测量垂直导线中的电流，需要将探头旋转90°或270°。将探头放置在错误的角度是一个错误，将在执行模拟时报告该错误。如有疑问，请查看符号中的箭头。这指向电流的方向。

通过单击“probe mode”图标选择一个current探针。在顺时针旋转图标上向左单击，使箭头指向下方。然后将探头放在R4右侧和U1引脚6之间的垂直线上。

通过标记并拖动到图的右侧，将探针添加到图的右侧。对于电流探头，右侧是一个不错的选择，因为它们通常在比例尺上与电压探头相差几个数量级，因此需要单独的轴来详细显示它们。

目前，没有为当前探针绘制轨迹。按空格键可重新模拟图形，并显示轨迹。

即使从最小化图中，我们也可以看到，反馈环路中的电流紧随输出端的波形，就像您对运算放大器的期望一样。在走线的高和低部分，电流分别在10mA和0之间变化。如果您愿意，可以最大化图形以更仔细地检查轨迹。

2.2.9 频率分析

除瞬态分析外，在模拟电路仿真中还有其他几种分析类型可用。它们与图形，探针和生成器的使用方式几乎相同，但在此主题上都是不同的变体。我们将考虑的下一种分析类型是频率分析。在频率分析中，x轴变为频率（对数刻度），并且探测点的幅度和相位都可以显示在y轴上。

要执行频率分析，需要一个频率图。单击“图形模型”图标，以在对象选择器中重新显示图形类型的列表，然后单击“频率”图形类型。然后像以前一样在原理图上放置一个图形，并用鼠标左键拖动一个框。不需要删除现有的瞬态图，但是您可能希望这样做以创建更多的空间（右键单击并从结果上下文菜单中删除对象）。

现在添加探针。我们将同时添加电压探头OUT和U1（POS IP）。在频率图中，两个y轴（左和右）具有特殊含义。左y轴用于显示探测信号的大小，右y轴用于显示相位。为了看到两者，我们必须将探针添加到图的两侧。标记OUT探针并将其拖到图的左侧，然后再次将探针拖到右侧。每条迹线都具有正常的单独颜色，但是它们具有相同的名称。现在，标记U1（POS IP）探针并将其仅拖到图形的左侧。

幅度和相位值都必须相对于某个参考量指定。在ISIS中，这是通过指定参考生成器来完成的。参考发生器在0°处始终具有0dB（1伏）的输出。任何现有的生成器都可以指定为参考生成器。频率分析中将忽略电路中的所有其他生成器。要将IN生成器指定为电路中的参考，只需将其标记并拖动到图形上，就好像您将其添加为探针一样。ISIS假定由于它是生成器，所以您将其添加为参考生成器，并在状态行上打印一条消息以确认这一点。确保已完成此操作，否则模拟将无法正常工作。

无需编辑图形属性，因为默认情况下选择的频率范围对我们而言是合适的。但是，如果这样做（右键单击图形并选择“编辑属性”），您将看到“编辑频率图形”对话框形式与瞬态情况略有不同。无需标记轴，因为它们的用途是固定的，并且有一个复选框可以以dB或标准单位显示幅度图。最好将此选项设置为dB，因为否则显示的绝对值将不是电路中的实际值。

现在，通过右键单击图形并从上下文菜单中选择“模拟”选项来开始模拟。完成后，通过像以前一样在新选项卡中打开图形来最大化图形（右键单击上下文菜单）。

首先考虑OUT幅度轨迹，我们可以看到通带增益刚好超过20dB（正如预期的那样），可用频率范围约为50Hz至20kHz。游标的工作方式与以前完全相同-您可能希望使用游标来验证上述语句。

OUT相位迹线显示了在响应极限处的预期相位失真，在单位增益频率处，刚好在曲线图的右侧下降到-90°。如果检查U1（POS IP）幅度轨迹，则可以清楚地看到输入偏置电路的高通滤波器效果。请注意，x轴刻度是对数的，要从该轴读取值，最好使用光标。

2.2.10 扫描变量分析

ISIS可以查看通过更改某些电路参数对电路的影响。有两种分析类型可以使您执行此操作-DC扫描和AC扫描。直流扫描图显示一系列针对扫描变量的工作点值，而交流扫描图显示一系列单点频率分析值，其幅度和相位形式类似于频率图。

由于这些分析形式相似，因此我们仅考虑一种-DC扫描。输入偏置电阻R1和R2受流入U1的小电流的影响。为了了解改变这两个电阻的值如何影响偏置点，使用了直流扫描。

首先，将直流扫描图放置在原理图上未使用的空间上。然后标记U1（POS IP）探针并将其拖到图形的左侧。我们需要设置扫描值，这是通过编辑图形（右键单击-编辑属性）来完成的。“编辑DC扫描图”对话框对话框包含用于设置扫描变量名称，其开始值和结束值以及扫描中执行的步数的字段。我们要在100kW至5MW的范围内扫描电阻值，因此将Start字段设置为100k，将Stop字段设置为5M。单击确定以接受更改。

当然，需要改变电阻器R1和R2使其扫过，而不是已经固定的值。为此，请在R1上双击鼠标左键进行编辑，然后将“值”字段从470k更改为X。请注意，图形对话框形式中的扫描变量也保留在X处。单击确定，然后在R2上重复编辑以将其值设置为X。

现在，您可以通过右键单击图形并选择模拟选项来模拟图形。然后，通过最大化图形，您可以看到随着偏置链电阻的增加，偏置电平也随之降低。到5MW时，它的变化很大。

当然，改变这些电阻也会对频率响应产生影响。我们可以以50Hz的频率进行AC扫频分析，以便观察对低频的影响。

2.2.11 噪声分析

可用的最终分析形式是噪声分析。在这种分析形式中，模拟器将考虑每个组件将产生的热噪声量。然后，将所有这些噪声贡献在电路中的每个探测点求和（已平方）。将结果与噪声带宽作图。

噪声分析有一些重要的特点：

仿真时间与电路中电压探头（和发生器）的数量成正比，因为将考虑每一个。
电流探头在噪声分析中没有意义，因此被忽略。
模拟日志文件中提供了大量信息。
PROSPICE计算输入和输出噪声。为此，必须定义输入参考-通过将生成器拖到图形上来完成，就像使用频率参考一样。然后，输入噪声图会显示每个探测到的输出点的输入等效噪声。

为了对电路进行噪声分析，我们必须首先将R1和R2恢复到470kW。现在就做。然后选择“噪声”图类型，然后在原理图的未使用区域上放置一个新图。实际上，这只是我们感兴趣的输出噪声，因此标记OUT电压探头并将其拖到图表上。和以前一样，模拟的默认值可以满足我们的需要，但是您需要将输入参考设置为输入生成器IN。“编辑噪声图”对话框具有用于显示结果（以dB为单位）的复选框。如果使用此选项，请注意将0dB视为1伏rms。单击“取消”关闭对话框。