Проведение измерений при помощи виртуальных приборов в программной среде Proteus 8.1.
Часть 1

№ 4’2015
PDF версия
Proteus — это набор простых, экономящих ваше время средств разработки. При всей своей простоте в использовании данный программный продукт является надежным помощником по схемотехнике для автоматического создания цепей и узлов, в состав которого входит большое число компонентов, сопровождаемых аналитическими моделями с возможностью изменения параметров на лету и полный набор средств анализа. Рассматриваемая программа позволяет подключать к разработанной в ее среде схеме виртуальные инструменты, представляющие собой программные модели контрольно-измерительных приборов, соответствующих реальным приборам, которые можно использовать для измерений и исследования поведения разрабатываемых электрических схем. В представленной статье рассмотрены особенности работы со следующими инструментами: вольтметр, амперметр, четырехканальный осциллограф, логический анализатор, сигнал-генератор, ваттметр.

Введение

Proteus используется в мире программного обеспечения для проектирования электрических схем, их тестирования и отладки. В комплекте продуктов Proteus есть средства для описания электрических схем, их эмуляции, а также для разработки и автоматической трассировки печатных плат. Proteus — программа конструирования электронных схем, характеризующаяся сочетанием профессиональных возможностей и простоты, предназначенная как для учебных целей, так и для промышленного производства сложных электронных устройств.

Proteus представляет собой платформу сквозного проектирования и объединяет две основные программы: ISIS — модуль схемотехнического проектирования и моделирования, который позволяет специалистам оптимизировать свои проекты, минимизировать ошибки и снизить число итераций при разработке, и ARES — программное обеспечение для проектирования топологии печатных плат.

В программе содержится набор виртуальных приборов для проведения измерений: вольтметр, амперметр, четырехканальный осциллограф, логический анализатор, сигнал-генератор, цифровой генератор шаблона, ваттметр, виртуальный терминал.

Виртуальные приборы Proteus — это программные модели контрольно-измерительных приборов, соответствующие реальным устройствам. Использование виртуальных приборов в Proteus — простой и понятный метод взаимодействия со схемой, почти не отличающийся от традиционного при тестировании или создании радиоэлектронного устройства, самый простой способ проверить поведение разработанной схемы.

Путем настройки приборов можно:

  • изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений;
  • задавать режим работы прибора;
  • задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармонические токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).

Графические возможности программы позволяют:

  • одновременно наблюдать несколько кривых на графике;
  • отображать кривые на графиках различными цветами;
  • передавать данные в графический редактор, что помогает выполнить необходимые преобразования рисунка и вывести его на принтер.

Принцип работы всех инструментов Proteus (подключение к схеме, использование) идентичен принципу действия реальных аналогов этих приборов. Для того чтобы добавить виртуальный прибор в рабочее поле программы, необходимо нажать на строку с его названием на панели INSTRUMENTS (по умолчанию данная панель расположена в левой части программы и содержит список имеющихся виртуальных приборов) и разместить его с помощью мыши в нужном месте на схеме. Панель INSTRUMENTS можно открыть, нажав кнопку Instruments Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Лицевая панель прибора откроется после запуска симуляции схемы. Выполните на ней необходимые настройки подобно тому, как бы вы это сделали на панели реального прибора. Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы. В каждой схеме может использоваться много приборов, в том числе и копии одного и того же прибора. Каждая копия настраивается и соединяется отдельно. Рассмотрим подробно работу с каждым из виртуальных инструментов в Proteus.

 

Работа с виртуальными приборами в Proteus

Амперметр

Амперметр — измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра зависят от величины протекающего через него тока, в связи с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим.

В Proteus измерение силы тока выполняется при помощи двух виртуальных амперметров: DC AMMETER и АC AMMETER. DC AMMETER используется для измерения только постоянной составляющей сигнала. Если возникает необходимость измерять среднеквадратичное значение сигнала, используйте АC AMMETER. Параметры амперметра задаются в окне Edit Component (рис. 1), которое можно открыть двойным щелчком левой кнопки мыши по пиктограмме прибора.

Настройка параметров амперметра в окне Edit Component

Рис. 1. Настройка параметров амперметра в окне Edit Component

Работа с виртуальным амперметром достаточно проста. К примеру, для измерения тока, протекающего через цепь в ветке между двумя узлами, надо включить виртуальный амперметр последовательно с цепью, как и реальный амперметр. В том случае, если есть необходимость одновременно измерить ток другого узла цепи, включите второй амперметр в цепь. Результаты измерений отображаются в «Окне результатов» на пиктограмме амперметра. На рис. 2 представлен пример подключения двух амперметров к схеме.

Подключение двух амперметров к схеме

Рис. 2. Подключение двух амперметров к схеме

Четырехканальный осциллограф

Осциллограф позволяет измерять следующие параметры электрического сигнала: напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Данный прибор предоставляет возможность наблюдать за формой сигнала во времени. Наибольшей популярностью пользуются двухканальные осциллографы, однако многие инженеры останавливают свой выбор на четырехканальных моделях, так как они предназначены для решения более широкого круга задач. В Proteus четырехканальный осциллограф имеет четыре сигнальных входа (канал А, В, C и D) и может отображать осциллограммы четырех сигналов одновременно. Осциллограф заземлен по умолчанию, поэтому вывод заземления отсутствует. Также отсутствует и вывод внешней синхронизации. Пиктограмма четырехканального осциллографа на схеме и его лицевая панель представлены на рис. 3. Лицевая панель прибора открывается после запуска симуляции схемы. Пиктограмма используется для подключения прибора к схеме, в свою очередь лицевая панель предназначена для настройки прибора и наблюдения формы исследуемого сигнала. В левой части лицевой панели четырехканального осциллографа расположен графический дисплей, который предназначен для графического отображения формы сигнала, а именно для отображения напряжения по вертикальной оси и, соответственно, времени по горизонтальной оси. Также прибор оснащен курсорами для проведения измерений во временной области, которые при необходимости можно перемещать левой кнопкой мыши. Добавление курсоров становится возможным после нажатия на кнопку Cursors в окне Trigger панели управления осциллографа. Для того чтобы установить курсоры, щелкните левой кнопкой мыши в области диаграммы столько раз, сколько курсоров требуется разместить. Чтобы очистить дисплей от курсоров, щелкните правой кнопкой мыши и в открывшемся контекстном меню выберите пункт Delete Cursor для удаления одного курсора или Clear All Cursors для удаления всех добавленных курсоров. Очистить дисплей от курсоров и выйти из режима размещения курсоров можно, повторно нажав кнопку Cursors в окне Trigger. Значения времени и напряжения в проверяемых точках (точках пересечения курсора с синусоидальной кривой) отображаются как после установки курсоров, так и до при их перемещении по дисплею.

Подключение четырехканального осциллографа к схеме и его лицевая панель

Рис. 3. Подключение четырехканального осциллографа к схеме и его лицевая панель

Панель управления осциллографа находится в правой части его лицевой панели и предназначена для настройки отображения измеряемого сигнала. Рассмотрим данную панель более подробно.

На панели управления размещено шесть окон настроек:

  • Trigger (синхронизация);
  • Channel A (канал А);
  • Channel C (канал С);
  • Channel B (канал В);
  • Channel D (канал D);
  • Horizontal (развертка).

Рассмотрим окно Channel A. В его нижней части расположена ручка, при помощи которой задается величина деления по оси Y (количество вольт на деление). Начальная точка вывода сигнала на оси Y указывается в поле Position. Поле может принимать как положительное, так и отрицательное значение. Выбор положительного значения в данном поле сдвигает начальную точку вверх по оси Y, соответственно выбор отрицательного значения сдвигает начальную точку вниз. Выбор режима работы осуществляется посредством установки ползунка в одну из четырех позиций: АС, DC, GND, OFF. В режиме АС отображается только переменная составляющая сигнала. В режиме DC отображается сумма переменной и постоянной составляющих сигнала. В случае выбора позиции GND входной канал замыкается на «землю», а на экране графического дисплея воспроизводится прямая линия в точке исходной установки оси Y. Установка ползунка в позицию OFF выключает отображение сигнала на дисплее. Также в окне Channel A расположено две кнопки:

  • Invert— задает инверсный режим работы осциллографа, в котором сигнал инвертируется относительно положения нуля;
  • A+B— задает режим, в котором на экране графического дисплея отображается суммарный сигнал каналов А и В.

Интерфейс окон Channel C, Channel B, Channel D аналогичен уже рассмотренному окну Channel A за исключением того, что в окне Channel C вместо кнопки A+B присутствует кнопка С+D, задающая режим, в котором на экране графического дисплея отображается суммарный сигнал каналов С и D. В окнах Channel B и Channel D такая кнопка вообще отсутствует.

Рассмотрим окно Horizontal. В нижней части окна расположена ручка, при помощи которой задается величина деления по оси Х. Начальная точка вывода сигнала на оси Х указывается в поле Position. Поле может принимать как положительное, так и отрицательное значение. Отображение сигнала на экране графического дисплея производится слева направо. Выбор положительного значения в данном поле сдвигает начальную точку вывода сигнала вправо, соответственно выбор отрицательного значения сдвигает начальную точку влево. Выбор режима развертки осуществляется в поле Source посредством установки ползунка в одну из следующих позиций: ˄, А, В, С, D. При выборе режима ˄ (сигнал по оси Y/время) на экране графического дисплея по оси Y будут отображаться сигналы каналов А, В, C, D а ось Х будет осью времени. Режимы А, В, C, D — это режимы наблюдения фигур Лиссажу (рис. 4). Выбор такого режима может быть полезен для изучения фаз сигналов.

Фигуры Лиссажу на дисплее четырехканального осциллографа

Рис. 4. Фигуры Лиссажу на дисплее четырехканального осциллографа

В верхней левой части панели управления осциллографа размещено окно Trigger (синхронизация). Выбор канала для запуска синхронизации производится в поле Source посредством установки ползунка в одну из следующих позиций: А, В, С, D. Осуществить выбор запуска сигнала синхронизации — по фронту или по срезу — можно в соответствующем поле, если установить ползунок в одну из позиций.

В правой части окна Trigger находятся кнопки выбора режима синхронизации:

One-Shot (однократный) — режим ожидания сигнала синхронизации. Используйте этот режим для регистрации однократного сигнала;

Auto (автоматический) — запуск осциллограммы производится автоматически при подключении осциллографа к схеме и включении эмуляции схемы.

Результаты работы четырехканального осциллографа отображаются на экране графического дисплея, расположенного в левой части лицевой панели данного прибора, в виде четырех кривых, которые представляют четыре входных сигнала, полученных с входов А, В, C, D.

Сигнал-генератор

В Proteus сигнал-генератор представляет собой инструмент для генерации тестовых сигналов синусоидальной, треугольной, пилообразной или прямоугольной формы с амплитудой от 0 до 12 В, в диапазоне частот от 0 до 12 МГц и может использоваться для подачи данных сигналов в моделируемую схему. Прибор имеет четыре вывода: положительный (+), отрицательный (–), входы амплитудной (АМ) и частотной (FM) модуляции. Для подключения сигнал-генератора к схеме используется положительный вывод. Отрицательный вывод предназначен для заземления прибора.

На рис. 5 изображена лицевая панель сигнал-генератора и его пиктограмма на схеме, а также пример его подключения к схеме.

Лицевая панель сигнал-генератора, его пиктограмма и пример подключения к схеме

Рис. 5. Лицевая панель сигнал-генератора, его пиктограмма и пример подключения к схеме

Лицевая панель сигнал-генератора используется для ввода установок данного прибора. Рассмотрим эту панель более подробно. В ее правой части расположены индикаторы формы сигнала. Выбор формы сигнала производится при помощи кнопки Waveform (кнопка находится в верхнем правом углу панели) посредством многократного ее нажатия до тех пор, пока включенный индикатор не будет соответствовать нужной форме сигнала. Индикаторы не имеют названий, но их функции интуитивно понятны, так как рядом с каждым индикатором визуально отображена форма генерируемого выходного сигнала. Частоту и амплитуду генерируемого сигнала можно задать при помощи соответствующих ручек-переключателей Frequency и Amplitude p‑p. Кнопка Polarity задает полярность сигнала: Uni, Bi.

Для наглядной демонстрации работы данного прибора воспользуемся виртуальным осциллографом и подключим его к положительному выводу сигнал-генератора. Зададим генерацию синусоидальных сигналов с частотой 1,9 кГц — полученный сигнал отображается на дисплее осциллографа (рис. 6). Как видно из рисунка, амплитуда и форма сигнала соответствуют установленной на панели сигнал-генератора — 2,8 В, синусоидальная.

Генерация синусоидальных сигналов при помощи сигнал-генератора и их отображение на дисплее осциллографа

Рис. 6. Генерация синусоидальных сигналов при помощи сигнал-генератора и их отображение на дисплее осциллографа

Сигнал-генератор поддерживает амплитудную и частотную модуляцию выходного сигнала. Оба входа, амплитудной и частотной модуляции, имеют следующие возможности:

  • усиление входа модуляции выполняется с помощью ручек-переключателей Frequency и Amplitude p‑p лицевой панели сигнал-генератора. Например, если на лицевой панели установлена частота в 2 кГц, тогда уровень 2 В на входе частотной модуляции даст выходную частоту 4 кГц;
  • входное напряжение модуляции ограничено до 12 В;
  • входы модуляции имеют бесконечное входное сопротивление.

Вольтметр

Вольтметр — измерительный прибор для определения электродвижущей силы или напряжения в электрической цепи.

В Proteus есть возможность проводить измерения напряжения при помощи двух виртуальных вольтметров: DC VOLTMETER и АC VOLTMETER. DC VOLTMETER используется для измерения только постоянной составляющей сигнала. Если возникает необходимость измерять переменное напряжение, используйте АC VOLTMETER. Параметры вольтметра задаются в окне Edit Component (рис. 7), которое можно открыть двойным щелчком левой кнопкой мыши по пиктограмме прибора. По умолчанию сопротивление вольтметра установлено в 100 МОм, но при необходимости этот параметр можно изменить в поле Load Resistance окна Edit Component, введя с клавиатуры нужное значение. В меню Display Range путем выбора одного из значений из выпадающего списка — Volts, Millivolts, Microvolts — устанавливаются единицы измерения напряжения.

Настройка параметров вольтметра в окне Edit Component

Рис. 7. Настройка параметров вольтметра в окне Edit Component

Работа с данным прибором достаточно проста. К примеру, для измерения напряжения на любом элементе цепи необходимо включить виртуальный вольтметр параллельно с измеряемой нагрузкой, как и реальный вольтметр. До тех пор пока не установится окончательное напряжение, вольтметр может показывать промежуточные значения. В том случае, если нужно одновременно измерить напряжение на другом элементе цепи, включите второй вольтметр в цепь.

Результаты измерений отображаются в «Окне результатов» на пиктограмме вольтметра. На рис. 8 представлен пример подключения двух вольтметров к схеме.

Подключение двух вольтметров к схеме

Рис. 8. Подключение двух вольтметров к схеме

Ваттметр

Ваттметр является специальным прибором для измерения активной мощности. Результат измерения отображается в ваттах. На рис. 9 показано подключение ваттметра к схеме.

Подключение ваттметра к схеме

Рис. 9. Подключение ваттметра к схеме

Результаты измерений, в частности средняя мощность, отображаются в «Окне результатов» на пиктограмме ваттметра. Работа с данным прибором достаточно проста. Для того чтобы определить мощность на нагрузке, необходимо верхнюю и нижнюю входные клеммы ваттметра включить параллельно нагрузке, а две боковые — последовательно. Результат отобразится в «Окне результатов». Пример, представленный на рис. 9, демонстрирует определение мощности, рассеиваемой на резисторе R22 представленного фрагмента схемы. Параметры ваттметра задаются в окне Edit Component (рис. 10), которое можно открыть двойным щелчком левой кнопкой мыши по пиктограмме прибора.

Настройка параметров ваттметра в окне Edit Component

Рис. 10. Настройка параметров ваттметра в окне Edit Component

Логический анализатор

Логический анализатор предназначен для отслеживания состояния логических элементов цифровых электронных устройств при разработке больших систем, а также для выявления неисправностей. Для съема сигналов с исследуемой схемы логический анализатор имеет 16 выводов и 4 шины разрядностью в 8 бит каждая. Внешний вид логического анализатора, его подключение к схеме и лицевая панель устройства представлены на рис. 11. Лицевая панель прибора открывается вследствие запуска симуляции схемы. Рассмотрим ее более подробно. Шестнадцать переключателей в левой части панели соответствуют шестнадцати каналам съема сигналов: A0–A15.

Рис. 11. Внешний вид логического анализатора, его подключение к схеме и лицевая панель

Рис. 11. Внешний вид логического анализатора, его подключение к схеме и лицевая панель

В следующей колонке отображены имена входов логического анализатора. После запуска симуляции схемы прибор снимает входные значения со своих выводов и отображает полученные данные в виде прямоугольных импульсов на часовой диаграмме во временной области лицевой панели. В нижней части временной области отображаются сигналы, полученные с входов В0[0–7]–B3[0–7]. Также прибор оснащен курсорами, предназначенными для проведения измерений во временной области, которые при необходимости можно перемещать при помощи левой кнопки мыши.

В правой части лицевой панели рассматриваемого прибора расположена панель управления, на которой находятся два окна:

  • Trigger (синхронизация);
  • Horizontal (развертка).

Управление курсорами производится в окне Trigger. Для этого предназначена кнопка Cursors, при помощи которой можно активизировать или отключить курсоры. Чтобы установить курсоры, нажмите на кнопку Cursors и щелкните левой кнопкой мыши в области диаграммы столько раз, сколько курсоров необходимо разместить. Для того чтобы очистить дисплей от курсоров, щелкните правой кнопкой мыши и в открывшемся контекстном меню выберите пункт Delete Cursor для удаления одного курсора или Clear All Cursors для удаления всех добавленных курсоров. Очистить дисплей от курсоров и выйти из режима размещения курсоров можно, повторно нажав кнопку Cursors в окне Trigger.

Логический анализатор оперирует последовательно записанными в буфер захвата входными цифровыми данными. Процесс захвата данных запускается кнопкой Capture окна Trigger. Спустя некоторое время после выполнения условий переключения этот процесс останавливается, а кнопка меняет свой цвет при записи и после ее завершения. Результат — содержимое буфера захвата отображается на дисплее. В окне Horizontal расположено две ручки: Display Scale и Capture Resolution. При помощи первой производится масштабирование отображения диаграммы, при помощи второй выполняется подстройка разрешения.

Цветовая схема графического дисплея логического анализатора настраивается в окне Colours Setup (рис. 12), которое можно вызвать, щелкнув правой кнопкой мыши в области графического дисплея и выбрав в открывшемся контекстном меню пункт Colours Setup. В данном окне задается цветовая схема для вывода на экран (столбец Display) и вывода на печать (столбец Printer) следующих элементов графического дисплея:

Окно Colours Setup

Рис. 12. Окно Colours Setup

  • отображаемых сигналов (Channel 0 – Channel 15, Bus 0 – Bus 3);
  • текстовых надписей (Bus Text 0 – Bus Text 3, Cursor Text);
  • курсоров (Cursor);
  • маркеров (Marker);
  • сетки (Grid);
  • фона графического дисплея (Background).

Установленные цвета визуально отображаются на пиктограммах, расположенных рядом с названиями элементов графического дисплея. Для того чтобы задать цвет, необходимо щелкнуть по нужной пиктограмме левой кнопкой мыши, в открывшейся палитре цветов (рис. 13) выбрать цвет и нажать на кнопку ОК.

Окно «Цвет»

Рис. 13. Окно «Цвет»

Сбросить цветовую схему до значений по умолчанию можно при помощи кнопки Reset в окне Colours Setup. Установленный флажок в чекбоксе Black and White задает черно-белую цветовую схему для вывода снимка графического дисплея на печать. После того как все настройки цветовой схемы произведены, нажмите на кнопку ОК.

Вывести снимок графического дисплея логического анализатора на печать можно, щелкнув правой кнопкой мыши в области дисплея и выбрав левой кнопкой мыши в открывшемся контекстном меню команду Print. В результате откроется окно «Печать» (рис. 14), в котором в поле «Выберите принтер» устанавливается активный принтер либо задается печать в файл (пункт Microsoft Office Document Image Writer), после чего нажимается кнопка «Печать». В том случае, если была выбрана печать в файл, будет открыто окно «Сохранение документа», в котором задается имя, тип и месторасположение файла на диске компьютера, а затем нажимается кнопка «Сохранить». В результате диаграмма будет сохранена в указанную папку в виде файла с расширением *.tiff (рис. 15).

Окно «Печать»

Рис. 14. Окно «Печать»

Результат печати в файл снимка графического дисплея логического анализатора

Рис. 15. Результат печати в файл снимка графического дисплея логического анализатора

Результаты работы логического анализатора отображаются на экране графического дисплея в виде диаграмм, которые представляют входные сигналы, полученные с его входов.

 

Заключение

Программа Proteus предоставляет широкий набор виртуальных инструментов, при помощи которых можно выполнять анализ схем, разработанных в ее среде, задавать входные воздействия на схему, измерять различные величины, строить графики. Для всех приборов доступны изменения режимов их работы и настроек. Как вы уже могли убедиться, все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними достаточно просто.

Proteus является удобным и практичным средством для моделирования электрических схем и исследования их работы. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать для дальнейшей обработки.

Перед тем как запустить симуляцию схемы в Proteus, необходимо обратить внимание на то, чтобы используемые в схеме виртуальные приборы были правильно настроены. Данное замечание достаточно важно, поскольку в некоторых случаях установка параметров по умолчанию может не подходить для вашей схемы, а установка пользователем некорректных параметров способна стать причиной того, что полученные результаты окажутся неверными или трудно читаемыми.

Использование программной среды Proteus при разработке электронных устройств позволяет значительно сократить сроки их отладки, ведь очевидно, что процесс моделирования в программной среде, при котором есть возможность проводить виртуальные испытания разработанной схемы, намного проще и менее затратный, чем проведение таких же испытаний на реальном макете. К тому же использование данной программы моделирования позволяет существенно ускорить разработку сложных схем.

Литература
  1. ISIS Help. Labcenter Electronics, 2014.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *