Проведение измерений при помощи виртуальных приборов в программной среде Proteus 8.1.
Часть 2

Первая часть статьи.

Введение

Использование средств автоматизированного проектирования при разработке электронных устройств преследует следующие цели:

• сокращение сроков и снижение стоимости разработки и внедрения изделий;
• уменьшение количества ошибок при проектировании;
• обеспечение возможности изменения проектных решений и сокращения сроков проверки и тестирования изделий.

Одним из инструментов проверки и тестирования разработанной схемы являются измерительные приборы. В программе Proteus предусмотрен большой набор виртуальных инструментов, являющихся программными моделями контрольно-измерительных приборов, которые соответствуют реальной аппаратуре. Также есть виртуальные инструменты, с чьей помощью можно визуально отобразить полученную информацию или, наоборот, сгенерировать данные для подачи их в схему.

Напомним принцип работы с виртуальными инструментами в Proteus. 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 необходимом 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. Пиктограмма прибора используется для его подключения к схеме, а лицевая панель — для настройки и наблюдения за результатами измерений. Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы. В каждой схеме может быть применено много приборов, в том числе и копии одного и того же прибора. Каждая копия настраивается и соединяется отдельно. Программная среда Proteus предоставляет большое количество виртуальных инструментов. Со многими из них мы уже ознакомились в предыдущей статье [2]. В настоящей статье будет рассмотрена более подробно работа со следующими приборами: цифровой генератор шаблона, измерительные пробники тока и напряжения.

Работа с виртуальными приборами в Proteus

Цифровой генератор шаблона

Цифровой генератор шаблона — это цифровой эквивалент аналогового сигнал-генератора, работа с которым рассмотрена в [2]. Виртуальный прибор генерирует выходные цифровые сигналы по заданному 8‑битовому шаблону и может использоваться для подачи данных сигналов в моделируемую схему.

Цифровой генератор шаблона имеет следующие возможности:

• внутренний и внешний режим тактирования и синхронизации;
• подстройка для тактовой частоты и шкалы переключения;
• режим отображения шестнадцатеричной и десятичной сетки;
• загрузка и сохранение шаблона.

Прибор имеет следующие выводы:

• B[0–7] (выход) — шина данных;
• Q0–Q7 (выходы) — выводы данных;
• CLKIN (вход) — данный вывод используется для подключения внешнего тактового генератора;
• HOLD (вход) — положительный сигнал на данном входе приводит к остановке (паузе) генератора шаблона;
• TRIG (вход) — данный вывод используется для подачи внешнего сигнала синхронизации;
• OE (вход) — отрицательный сигнал на данном входе запрещает вывод шаблона на выходные выводы генератора шаблона;
• CLKOUT (выход) — отображение импульсов внутреннего генератора при внутреннем тактировании;
• CASCADE (выход) — данный вывод переходит в высокое состояние, когда первый бит шаблона поступает на выходы, и остается в низком состоянии все остальное время.

Для того чтобы добавить цифровой генератор шаблона в рабочее поле программы, необходимо нажать на строку с его названием (PATTERN GENERATOR) на панели INSTRUMENTS и в нужном месте на схеме разместить его с помощью мыши. Шаблон можно создать вручную на дисплее лицевой панели генератора либо загрузить из файла. Дисплей лицевой панели представляет собой таблицу, которая содержит восемь строк, соответствующих 8 битам выходного сигнала, подающимся на выходы Q0–Q7 и/или на шину B[0–7] генератора шаблона. Создать шаблон на дисплее можно посредством щелчков левой кнопки мыши по пустым ячейкам таблицы, в результате чего ячейка заполнится цветом. Комбинация закрашенных ячеек создает рисунок/надпись, которую удобно сохранить как шаблон для последующего использования. Снять выделение ячейки можно повторным щелчком левой кнопки мыши. Сохранить созданный шаблон или загрузить уже имеющийся (рис. 1) следует при помощи команд контекстного меню:

• Load Pattern (загрузить шаблон);
• Save Pattern (сохранить шаблон);
• Save Pattern As (сохранить шаблон как).

Рис. 1. Создание надписи в области дисплея лицевой панели и обзор команд контекстного меню цифрового генератора шаблона

На рис. 2 продемонстрирована работа цифрового генератора шаблона. Как видно, комбинация сигналов на выходе прибора соответствует комбинации пустых и закрашенных ячеек последнего столбца таблицы лицевой панели прибора. Визуально отобразить разработанный шаблон можно при помощи виртуального терминала (рис. 3). Для того чтобы добавить данный прибор в рабочее поле проекта, следует нажать на строку с его названием (VIRTUAL TERMINAL) на панели INSTRUMENTS и разместить его с помощью мыши в необходимом месте на схеме. Поскольку виртуальный терминал имеет последовательный интерфейс, то символы шаблона нужно представить в двоичном коде. Для этого создадим на диске компьютера текстовый файл с кодировкой надписи (рис. 4), сохраним его с расширением *.ptn и загрузим в качестве шаблона. В данном случае мы будем выводить на экран виртуального терминала слово Privet. Исходя из таблицы соответствия (табл. 1) символов английского алфавита и двоичного кода, слово Privet в файле шаблона будет иметь следующий вид:

Рис. 2. Соответствие комбинации сигналов на выходе цифрового генератора шаблона и комбинации пустых и закрашенных ячеек последнего столбца таблицы лицевой панели прибора

Рис. 3. Вывод шаблона на экран виртуального терминала

Рис. 4. Кодирование символов в файле шаблона

- P – 01010000 (0x00,0x00,0x00,0x00,0x80,0x00,0x80,0x00);
- r – 01110010 (0x00,0x80,0x00,0x00,0x80,0x80,0x80,0x00);
- i – 01101001 (0x80,0x00,0x00,0x80,0x00,0x80,0x80,0x00);
- v – 01110110 (0x00,0x80,0x80,0x00,0x80,0x80,0x80,0x00);
- e – 01100101 (0x80,0x00,0x80,0x00,0x00,0x80,0x80,0x00);
- t – 01110100 (0x00,0x00,0x80,0x00,0x80,0x80,0x80,0x00).

Необходимо отметить, что строка в файле шаблона, начинающаяся с символа «;» расценивается как комментарий и игнорируется анализатором программы.

Задать использование шаблона из файла можно в окне настройки параметров цифрового генератора шаблона Edit Component (рис. 5) в поле Pattern Generator Script, путем нажатия на значок открытой папки и выбора необходимого файла на диске. Открыть окно Edit Component можно следующим образом: при помощи левой кнопки мыши выделите пиктограмму генератора шаблона в области схемы, при помощи правой кнопки мыши вызовите контекстное меню и выберите в нем пункт Edit Properties. Также в данном окне можно задать следующие параметры цифрового генератора шаблона:

• Part Reference— позиционное обозначение прибора;
• Clock Rate— частота внутреннего тактирования;
• Reset Rate— частота внутренней синхронизации;
• Clock Mode— режим тактирования генератора: Internal (внутренний), External Pos Edge (внешний по фронту), External Neg Edge (внешний по срезу);
• Reset Mode— источник и сигнал синхронизации: Internal (внутренний источник синхронизации), Async External Pos Edge (внешний асинхронный положительный фронт), Sync External Pos Edge (внешний синхронный положительный фронт), Async External Neg Edge (внешний асинхронный отрицательный фронт), Sync External Neg Edge (внешний синхронный отрицательный фронт);
• Clockout Enabled in Internal Mode— отображение импульсов внутреннего генератора при внутреннем тактировании: Yes (да), No (нет);
• Output Configuration— вывод данных: Output to Pins Only (вывод данных только на выводы Q0–Q7), Output to Bus Only (вывод данных только на шину B[0–7]), Output to Both Pins and Bus (вывод данных на выводы и на шину).

Рис. 5. Окно настройки параметров цифрового генератора шаблона

Лицевая панель генератора шаблона используется для ввода установок данного прибора. Рассмотрим эту панель более подробно. В ее левой части расположено два окна:

• CLOCK— в данном окне задается режим тактирования генератора: внешний или внутренний. Выбор производится при помощи кнопки посредством многократного ее нажатия до тех пор, пока включенный индикатор не будет соответствовать нужному режиму тактирования. Индикаторы не имеют названий, но их функции интуитивно понятны, так как рядом с каждым из них визуально отображен значок-подсказка. В том случае, если в окне CLOCK был выбран режим внутреннего тактирования, можно подстроить частоту при помощи ручки-переключателя Clock.
• TRIGGER— в данном окне производится выбор источника синхронизации (внешнего или внутреннего) и сигнала синхронизации (фронт или срез). Если выбрана внешняя синхронизация, необходимо указать, будет ли она синхронной или асинхронной с тактовым генератором. Выбор всех параметров выполняется при помощи кнопок посредством многократного их нажатия до тех пор, пока включенный индикатор не будет соответствовать нужному значению. В том случае, если в окне TRIGGER был выбран режим внутренней синхронизации, можно подстроить частоту при помощи ручки-переключателя Trigger.

Внутренний режим тактирования генератора переключается отрицательным фронтом и может быть задан либо до симуляции в окне настройки параметров цифрового генератора шаблона, либо в процессе симуляции на лицевой панели прибора в окне CLOCK. Есть два режима внешнего тактирования: по фронту и по срезу. Для того чтобы тактирование выполнялось при помощи внешнего генератора, необходимо подключить вывод выходного сигнала внешнего тактового генератора к входу CLKIN генератора шаблона и выбрать один из двух режимов тактирования (по фронту или по срезу) в окне настроек параметров генератора шаблона или на лицевой панели прибора в окне CLOCK.

Рассмотрим режимы синхронизации цифрового генератора шаблона. В режиме внутренней синхронизации шаблон переключается в заданных интервалах. Если тактирование внутреннее, то в момент переключения внутренний тактовый генератор сбрасывается. Вывод CASCADE переходит в высокое состояние, и первый бит шаблона выводится на выходные выводы генератора. Временные диаграммы работы цифрового генератора шаблона в разных режимах синхронизации показаны на рис. 6.

Рис. 6. Временные диаграммы работы цифрового генератора шаблона в разных режимах синхронизации:
а) режим внутренней синхронизации;
б) синхронизация внешним асинхронным положительным фронтом;
в) синхронизация внешним синхронным положительным фронтом;
г) синхронизация внешним асинхронным отрицательным фронтом;
д) синхронизация внешним синхронным отрицательным фронтом

В цифровом генераторе есть возможность задать вывод определенной части шаблона. Делается это на лицевой панели генератора шаблона в области дисплея, для чего необходимо определить запрещенную для вывода область шаблона посредством перемещения курсора левой кнопкой мыши. Запрещенная для вывода область будет окрашена бледным оттенком (рис. 7).

Рис. 7. Запрещенная для вывода часть шаблона в области дисплея лицевой панели цифрового генератора шаблона

Продвижение по шаблону во время симуляции можно выполнять при помощи кнопки STEP, расположенной в окне CLOCK лицевой панели прибора. При этом симуляция будет длиться до завершения цикла тактового генератора, после чего остановится.

Использование измерительных пробников тока и напряжения

При проектировании устройства на этапе разработки принципиальной схемы может возникнуть необходимость произвести проверку постоянного (переменного) напряжения или тока на участке цепи. Для данных целей в программе Proteus предусмотрены измерительные пробники тока (CURRENT) и напряжения (VOLTAGE). Данные приборы могут быть размещены в рабочем проекте Proteus до запуска процесса симуляции схемы. Пробники напряжения используются как для аналоговой, так и для цифровой симуляции, в то время как пробники тока — только для аналоговой симуляции.

Для того чтобы добавить измерительный пробник в рабочее поле программы, следует нажать на строку с его названием на панели PROBS (по умолчанию данная панель расположена в левой части программы и содержит список имеющихся виртуальных пробников) и разместить его с помощью мыши в необходимом месте на схеме. Панель PROBS можно открыть, нажав кнопку Probe Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Надо отметить, что измерительные пробники не имеют собственной лицевой панели, как другие виртуальные приборы. А настройки параметров пробников выполняются в окне свойств до запуска симуляции схемы.

Для подключения измерительного пробника к схеме нужно выбрать его название на панели PROBS, подвести курсор к месту размещения пробника и щелкнуть левой кнопкой мыши по проводнику. Результаты измерения (напряжение, ток) будут отображены после запуска симуляции схемы рядом с пиктограммой измерительного пробника. Кстати, для пробника тока важна ориентация его размещения. Направление измерения тока указано стрелкой, заключенной в кружок, на пиктограмме пробника тока.

В каждой схеме может использоваться много пробников, в том числе и копии одного и того же прибора. Каждая копия прибора настраивается и соединяется отдельно.

На рис. 8 представлен пример подключения нескольких пробников тока и напряжения к исследуемой схеме. Обратите внимание на названия пробников. Неподключенные пробники имеют по умолчанию название «?». Когда пробник присоединен к цепи, ему автоматически присваивается имя цепи, а если цепь не имеет имени, то пробник получает в качестве имени позиционное обозначение компонента или имя вывода, после которого он подключен. Также разработчик может самостоятельно присвоить пробнику имя.

Рис. 8. Пример подключения нескольких пробников тока и напряжения к исследуемой схеме

Для того чтобы настроить параметры пробника, выделите его в рабочем поле при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки вызовите контекстное меню и выберите в нем пункт Edit Properties. В результате выполненных действий будет открыто окно Edit Current Probe для токового пробника (рис. 9а) и окно Edit Voltage Probe для пробника напряжения (рис. 9б). Для токового пробника есть возможность установить имя пробника (поле Name) и название файла (поле Filename), в который будут записываться данные. Для пробника напряжения помимо этих двух параметров можно задать значение сопротивления нагрузки (поле Load (Ohms)). Данные, записанные в файл, могут проигрываться с помощью генератора записи (TAPE).

Рис. 9. Окно настройки параметров:
а) токового пробника;
б) пробника напряжения

Заключение

Использование виртуальных инструментов в Proteus позволяет сравнивать теоретические данные с реальными непосредственно в процессе создания схемы, что снижает количество проектных итераций, число ошибок в прототипах и ускоряет выход продукции на рынок. Однако для эффективного применения виртуальных инструментов в Proteus необходимо понимание алгоритмов, реализованных в программе, знание принципов работы имеющихся инструментов и принципов построения моделей электронных компонентов. Неправильное применение моделей компонентов, настройка виртуальных приборов и использование вычислительных алгоритмов могут привести к получению ошибочных результатов моделирования.