Proteus教程第四部分:图表仿真教程

第四部分的教程不包括 ISIS 软件的使用说明——也就是一系列的元件放置、导线连接、对象标记等操作。如果 您还没有熟悉 ISIS 的使用，请先阅读第一部分“ISIS原理图绘制教程”的内容。。

在尝试对自己的电路设计进行图表仿真之前，我们强烈建议遵循本教程的步骤来学习和练习。正确理解本教程 涉及的概念将让你能够更加快速地吸收和消化帮助文档里面的内容，并在长期的工作中让你节省大量的时间和 跳过一些不必要的挫折。

开始

单个 5V 电源下。反馈电阻 R3 和 R4 设定了该级增益约为 10。输入偏置元件 R1、R2 和 C1，在同向输入端设 置虚地参考点，并对输入信号进行去耦。

通常情况下，我们都会对电路进行瞬态分析。因为瞬态分析对这类电路是最有效的，能够提供电路的大量信息。 在完成瞬态分析后，我们再进行其它类型的分析并进行比较。

教程（第 1 部分）”加载一个已有的设计文件。无论你选择哪种方式，在进行下一阶段的学习之前，都要确保 你已经可以有一个完整的电路可以进行仿真。

激励源

点击激励源模式图标，在对象选择器中显示可用的激励源类型列表。对于我们这个电路的仿真，需要一个脉冲 激励源。所以我们选择脉冲激励源类型，将鼠标移到编辑窗口中的 IN 终端右边，然后在连线上点击左键，即可 放置这个激励源到电路中，并且连接到电路的输入端。

激励源对象就像 ISIS 中其它的大部分对象，在放置之前同样可以进行预览和旋转，放置以后可以对其编辑、移 动、重新定向或删除（参阅参考手册中的激励源和探针，有更详细的说明）。

我们刚才是将激励源直接放在连线上，这样可以自动连线，省略连线的步骤。当然，还可以把激励源放在导线 的旁边，然后使用正常方式进行连线。如果激励源是直接放在连线上的，如果你拖动激励源离开连线，ISIS 会 假定你想要将其从连线上分离，因此不会连其它元件一样一起拖动连线。

我们注意到，激励源被自动分配了一个参考标号——自动以终端名字 IN 给激励源命名。事实上，只要激励源连 接到任意一个对象（或者直接放在连线上），都会使用所连接的网络名字为激励源命名。如果这个网络没有命 名，默认情况下会使用最接近的元件引脚名字来给激励源命名。

最后，我们必须编辑激励源来定义我们想要的脉冲波形。右键点击激励源，从弹出的菜单中选择“编辑属性”，

对于这个电路，只需要一个激励源，但 Proteus 软件对于放置激励源的数量是没有限制的。

探针

输出信号和偏置后的输入信号是我们感兴趣的关键点，因此，在这两个位置放置两个电压探针。如果需要，还 可以在其它关键点放置多个探针。

我们来放置探针，先选择探针模式，然后在对象列表窗口选中电压探针。探针可以直接放到连线上，也可以像 其它元件一样，放置后再进行连线。移动鼠标到编辑窗口中 U1 引脚 3 的左边，点击左键放置探针，一定要把 探针的引脚放在导线上，而不能放在 U1 的引脚上。注意，探针自动获取的名字是离它最近的元件的名字+元件 的引脚名，引脚名放在括号中。现在在终端 OUT 的左边，也就是结点和终端引脚之间的连线上，点击左键放置 第二个探针。

探针同激励源和 ISIS 中其它的大部分对象一样，在放置之前同样可以进行探针的预览和旋转，放置以后可以进 行探针的编辑、移动、重新定向或删除（可以从参考手册中的探针部分获取更多信息）。如果要改变探针的参 考标号，可以对其进行编辑。在我们的例子中，默认分配的名字都很好。

图表

将自动判断你要完成的图表仿真类型，以及仿真中所需要包含的某一部分电路。 对于瞬态分析，我们需要一个模拟图表。这里使用模拟图表而不是用瞬态图表来命名，是为了和显示数字分析

同一个混合图表在一个时间轴上显示。 在放置图表到电路中前，首先选择图表模式图标，对象选择器中会显示可供使用的图表类型的列表，选择“模

但是关于图表的帮助文档还是非常值得去仔细阅读的。 使用鼠标的左键点击图表，然后（按下鼠标左键）拖动其中一个缩放控制柄，可以重新调整图表的大小。 我们现在把激励源和探针添加到图表中。注意，实际上，每一个激励源都是一个探针，所以要查看激励源的输

在图表中添加探针和激励源的方式有三种： 第一种方式就是将探针/激励源拖到图表中，然后释放鼠标左键——这个操作就好像我们在移动探针/激励源到另

后探针/激励源还会恢复到原来的位置，同时在图表中添加一个同名的图线。在模拟图表中，图线可与左边或右 边的坐标轴相关联，放置时，探针/激励源将自动关联到离放置位置最近的坐标轴。不管你放置探针/激励源到哪 个坐标轴，新的图线总是添加在已存在的图线下面。

第二种和第三种向图表添加探针/激励源的方式都是使用“图表”菜单中的增加导线命令，这个命令用来向当前 图表增加探针（当有多个图表时，当前图表是“图表”菜单中被选中的那个图表）。

在探针或激励源没有被选中时，如果调用“添加图线”命令，将会出现“添加瞬态图线”对话框，然后可以从 设计中所有探针（包括其他原理图页面中的探针）的列表中选择探针。

“取消”，将会同之前描述的一样调用添加瞬态图线对话框，选择“确定”，将会在当前图表中添加所有选中 的探针/激励源，并按名字的字母顺序进行排序。

我们来将探针和激励源快速地添加到图表中。可以按住 CTRL 键，然后一个一个点击选中探针和激励源，也可 围绕整个电路拖一个矩形框选中所有的电路，系统会自动忽略除了探针和激励源之外的所有其它选中对象。最 后从“图表”菜单中选择“添加图线”命令，然后在弹出的提示框中选择“确定”，图线将会出现在图表中（因 为只有一个图表，并且是最近使用的图表，在“图表”菜单下处于被选中的状态，因此也就被认为是当前图表）。 现在在图表中应该可以看到图线有一个名字（放在轴的左边）和一个空白的数据区（图表主体部分）。如果图 表中没有显示图线，可能是 ISIS 中画的图表太小了，通过选中图表并拖动其中的一个角就可以调整图表的大小， 使其足够大能够清楚看到图线的名字。

正如上图显示的，我们的图线按字母的顺序依次排列。当然，我们也能重新排列这些图线的顺序，先确保图表 没有被选中，然后在你想要移动或编辑的图线名字上点击左键。当导图被选中并处于突出显示的状态时，你就 可以使用鼠标的左键向上或向下拖动图线或编辑图线（不移动鼠标而点击左键），点击右键将删除图线（从图 表中移除图线）。在图表的其他地方点击鼠标左键，可以取消图线的选中状态。

在开始仿真图表之前，我们还有最后一项设置要做，就是设置仿真运行的时间。ISIS 将根据图表 X 轴的结束时 间来仿真电路，对于一个新建的图表，默认值是 1s。对于我们这个电路而言，我们希望输入的方波是 10kHz 的音频，这需要 100ms 的仿真时间。先选中图表然后左键点击图表，将弹出一个“编辑瞬态图表”的对话框。 在这里你可以对图表设置标题，指定仿真开始和停止的时间（对应着 X 轴左边最小值和右边的最大值），给左

坐标轴和右坐标轴命名（在数字图表中不会显示），还可以指定仿真运行的一般属性。我们需要做的就是将停 止时间从 1 改成 100u（可以直接输入 100u，ISIS 会自动转换成 100E-6），然后选择“确定”。

现在可以运行图表来仿真这个电路。为了避免出现一些不可预知的问题，读者可以使用 Proteus 提供的模板工 程（打开模板工程->教程->模拟仿真教程（第 2 部分））来进行仿真。

仿真

运行图表仿真的过程中，状态栏会显示仿真的进度。仿真完成后，将使用新的数据重绘图表。对于目前的 ISIS 版本以及仿真内核，它将忽略图表的开始时间这个参数，也就是说仿真总是在 0 时刻开始，直到到达停止时间 或是到达静止状态。你可以在仿真的过程中按下“ESC”键来中止仿真。

仿真日志记录了上一次的仿真细节。你可以点击原理图左下角的仿真监视器查看仿真日志。仿真模拟电路的仿 真日志很少有让人感兴趣的东西，除非有警告或错误，在这种情况下，你可以发现这些错误的一些细节。在某 些情况下，仿真日志可以提供一些从图表曲线不能得到的有用的信息。

测量

右键点击图表，从弹出的菜单中选择“最大化窗口”命令。

这将在新的选项卡中打开图表，并会更改菜单和工具栏为图表相关的命令。 在图表左边区域显示的是曲线的名字，右边显示的是曲线本身。由于这是一个新的图表，我们还没有进行任何

测量，在图表中是看不到光标的，状态栏也只显示图表标题信息。当放置测量光标后，图表的底部会显示光标 的所在位置的数据和增量值。

曲线的颜色与自己名字的颜色是相同的，不同曲线的颜色不相同，因此通过颜色可以区分曲线。如果 IN、U1(POS IP) 和 OUT 曲线都放在左坐标轴，那么可以看到 OUT和 U1(POS IP) 的曲线聚集在图表的顶部（红色的为 OUT 曲线，黄色的为 U1(POS IP)曲线），而 IN 的曲线（蓝色）在图表的底部。这是因为 OUT 和 U1(POS IP) 的幅 值比 IN 大很多，不是在一个数量级，这不利于我们观察曲线的细节。

为了观察曲线的更多细节，我们需要将 IN 的曲线与其它两个隔离开，可以使用鼠标左键拖动 IN 曲线的名字到 图表的右边来实现，这将会在图表右边出现一个合适刻度值的另一个坐标轴。右边坐标轴与左边坐标轴的刻度 是各自独立的。现在 IN 的曲线似乎放大了，这是因为 ISIS 为右边的坐标轴选择了更精细的刻度。

点击 IN 曲线名，选择“删除曲线”菜单，图表将恢复到只有左边坐标轴的情况。 下面，我们使用光标来测量两个量：

               大概的输出下降时间。 每个图表都有两个光标，称为参考光标（红色）和主光标（绿色）。光标总是会“锁定”到曲线上，“锁定”

下面先来放置参考光标。在操作参考光标和主光标时可以使用相同的按键或动作，因为参考光标比主光标较少 使用到，所以在使用参考光标时要按住 CTRL 键才能控制。放置光标时，你需要在想要锁定光标的地方左键点 击曲线。如果按下 CRTL 键，将放置参考光标，如果没有按下，将放置主光标。鼠标按键保持按下状态可以拖 动光标。

按住 CTRL 键并按下鼠标左键，移动指针到图表的右边，将出现的红色参考光标移到 X 轴的 70us 或 80us 位置。 现在状态栏显示的就不再是图表的标题了，显示的是光标位置的时间（红色，在左边）、电压值和曲线名（在 右边）。

你可以使用键盘上的向左和向右光标键在 X 方向上移动光标，可以使用向上和向下光标键把光标锁定到前一个 或后一个曲线。左右键可以分别移动光标到达 X 轴的左右极限。当 CTRL 键被按下时，键盘上的左右键和上下 键可以控制参考光标的移动和曲线锁定。

现在把主光标移动到 20us 和 30us 之间，并锁定到曲线 OUT 上。这个过程除了不需要按住 CTRL 键之外，和 上面的参考光标放置完全一样，主光标的时间和电压现在也显示在状态栏中。

10mV，所以放大器的电压增益大约是 10。注意，这个电压差是正的，因为主光标是在参考光标之上，而电压 差是由主光标的值减去参考光标的值得到的。

我们可以将主光标和参考光标定位到输出脉冲下降沿的两边，使用两个光标的相对时间差来测量下降时间。这 可以通过鼠标拖动光标或使用光标键实现（对参考光标不要忘记 CTRL 键）。主光标应该放在曲线的右边直到 曲线处于伸直状态为止，参考光标应该放在下降沿开始的拐角处，你应该会发现下降沿的时间是小于 10ms。

电流探针

现在，我们使用电流探针测量反馈电路中的电流，这可以通过测量流入 R4 的电流来实现。 电流探针和电压探针的使用方式类似，但有一个重大的差别：电流探针有是要指定放置方向的。在电路连线上

道连线的方向，因此如果把电流探针放置到与连线平行的方向上，那么电流探针放置的方向也就是连线的方向。 电流探针默认以水平方向放置，测量的电流也只能是从左到右的水平连线上的电流。如果要测量垂直连线上的

错误，可以查看探针图标上的箭头与电流方向是否相同来解决这类错误。 通过点击对象列表中的电流探针的图标选择电流探针，左键点击顺时针旋转图标，使箭头指向下，然后在 R4

在进行这一步前确保右坐标转没有被电压探针使用。将电流探针拖到最小化了的图表的右边。对于电流探针， 放到图表的右坐标轴是一个不错的选择，因为电流探针通常和电压探针的刻度不同，所以需要一个单独的轴来 显示。

从最小化的图表中，我们就可以看到反馈回路中的电流波形与输出电压波形非常接近，这正是运算放大器应有 的波形。电流在 10uA 和 0uA 之间变化，分别对应着曲线中的最大值和最小值。如果你愿意，可以将图表最大 化后进行更仔细的检查和测量。

频率分析

是一样的。我们接下来讨论频率分析图表，在频率分析图表中，X 轴是频率（或者以对数表示），Y 轴显示的 是被测信号的幅度和相位。

为了完成频率分析，必须使用频率分析图表。左键点击图表图标切换到图表模式，在对象选择器中将显示可用 的图表类型列表，点击“频率分析图表”类型，然后像之前一样在原理图中放置图表：在空白区域使用鼠标左 键拖一个框，然后再次点击左键进行确认。这不需要删除原有的瞬态分析图表。

现在开始添加探针，我们应该添加电压探针 OUT 和 U1(POS IP)。在频率分析图表中，两个 Y 轴（左边和右边） 有特定的意义。左 Y 轴用于显示探针信号的幅度，右Y 轴用于显示探针信号的相位。为了能看到幅度和相位，

我们必须在图表的两边都添加探针。先拖动探针 OUT 到图表的左边，然后再次拖动这个探针到图表的右边，可 以看到这两条曲线有不同的颜色，但它们的名字相同。拖动探针 U1(POS IP)到图表的左 Y 轴就可以。

幅度和相位值必须指定一个参考量，在 ISIS 中，可以指定一个参考激励源作为参考量。参考激励源在 相位 0° 处总是有一个 0dB（1V）的输出。电路中任何已有的激励源都可以被指定成参考激励源，而电路中其他激励源 在频率分析中都会被忽略。在我们的电路中可以指定激励源 IN 作为参考量，只需要简单的将其拖到图表中，就像添加探针的方法一样。由于你添加的是一个激励源，ISIS 会假设你添加的这个激励源是当作参考激励源的， 并会在状态栏显示一条消息来进行确认。请你按照上面描述的方法进行操作，否则仿真将不能正常工作。

没有必要去编辑图表的属性，因为对于我们的目的，选择默认的频率范围可以了。如果你打开了图表的属性对 话框（右键点击图表，选择“编辑属性”），你会发现编辑频率图表对话框与瞬态图表的对话框略有不同。频 率图表不能修改坐标轴的名字，因为两个轴都有特殊的意义。选项下面有一个勾选框，可以让幅度的显示在 dB与正常的电压单位间进行选择。这里最好使用默认值，即使用 dB，因为图表中显示的电压绝对值不是电路中真 实的电压值，而是相对于参考激励源的一个电压值。

现在右键点击图表，从弹出的菜单中选择“仿真图表”命令开始仿真图表。当仿真完成以后，使图表最大化， 让它在一个新的选项页中显示。

输出信号 OUT 的相位曲线显示了相位失真的程度，在电路响应的极限位置，相位下降到-90 度，即图表的最右 边位置，这是单位增益所在的频率。如果检查 U1(POSIP)的幅度曲线，输入偏置电路的高通滤波器效果清晰可 见。注意左 Y 轴的刻度是对数形式表示的，如果要读取 U1(POS IP)的幅值，需要使用光标进行读取。

扫描变量分析

描图表。直流扫描图表显示的是扫描变量变化时电路工作点的值的变化。而交流扫描图表显示的是一系列的单 点频率分析值，以幅度和相位形式表示，就像使用频率分析图表一样。

由于这两个图表的分析形式类似，所以我们只讨论其中的一个——直流扫描图表。在示例电路中，输入偏置电 阻 R1 和 R2 受流入 U1 的小电流影响。要了解这两个电阻值的改变将如何影响偏置点，可以使用直流扫描图表。

首先，在原理图中的空白区域放置一个直流扫描图表，然后将探针 U1(POS IP)拖到图表的左边。我们需要设置 扫描值，点击右键，选择“编辑属性”菜单。如上图所示，编辑直流扫描图表对话框包括设置扫描变量的名字，

当然，电阻 R1 和 R2 也需要修改才能进行扫描，左键双击 R1 进行编辑，将其值从 470K 改变成 X，点击“确 定”完成修改。注意，上面这个编辑直流扫描图表对话框中的扫描变量是也是用 X 表示的。关于 R2，重复这个 编辑操作，将它的值也设置成 X。

现在，使用右键点击图表，在弹出的菜单中选择“仿真图表”命令仿真图表。然后，最大化图表，你能看到由 于偏置电阻的增加导致偏置电平慢慢降低，在 5M 欧的位置，电平已经比 2.5V 低了很多。

当然，偏置电阻的改变对频率响应也有影响，特别是在低频段。我们可以在 50HZ 的范围内做一个交流扫描分 析来观察偏置电阻对频率响应的影响。

噪声分析

噪声。在电路中的每一个探测点将把所有的噪声分量进行平方求和运算。计算的结果与对应的噪声带宽绘制到 图表中。

               PROSPICE 可以计算输入和输出的噪声。要计算输入噪声，必须要定义一个输入参考量，这可以通过 将一个激励源拖入图表中来完成，就像频率参考量一样。图表将为绘制每个输出探测点在输入点的等 效噪声。

在我们的电路中，为了完成噪声分析，我们必须要先将 R1 和 R2 的值恢复到 470kW。然后选择噪声分析图表 类型，在原理图中的空白区域放置一个新的图表。我们将电压探针 OUT 拖到图表中，因为我们要测量 OUT 这

一个以 dB 显示结果的勾选框，如果勾上这个勾选框，0dB 就是 1V 的均方根。在这里我们不需要设置这一项， 点击“确定”完成设置。

点击空格键仿真图表，当图表被最大化以后，你会发现噪声分析图表产生的值通常都非常小（在我们这个例子 中是 pV 级别），这是符合预期的。但在你的电路中应该怎样去追踪噪声的来源呢？是在仿真日志中！

这里列出了每个电路元件的噪声贡献（在整个频率范围内）。这里的大部分元件都是运放的内部元器件，带有 前缀 U1_。如果在“编辑噪声图表”对话框中选择了记录频谱贡献的选项，将会得到更详细的仿真日志数据， 它将在每一个频率点记录每个元件的贡献值。