Proteus图表分析法在模拟电路中的应用

南京信息工程大学信息与控制学院 庄 舜

本文结合二极管的伏安特性、三极管的输出特性，重点介绍了Proteus中两种直流信号图表仿真工具DC SWEEP、TRANSFER的使用方法。并通过模拟电路中常用的测温电路、共射极放大电路的测量、仿真，阐述了图表工具在应用电路中的具体分析方法，说明了图表分析法对模拟电路分析的优势。

0 引言

虚拟仿真技术是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术（安建强.基于虚拟仿真技术的创新训练研究与实践[J].实验技术与管理,2015,12:179-182;刘亚丰,苏莉,吴元喜,等.虚拟仿真实验教案设计及实践[J].实验室研究与探索,2017,36(3):185-188），可表现在借助计算机环境，利用专用软件对现实世界进行虚拟仿真，在电子领域体现电路虚拟仿真的典型软件有Labview、Multisim、Simulink和Proteus等多种，其中Proteus是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件，具有强大的模拟电路/数字电路设计与仿真能力，且有较好的易用性（侯刚,王洁,林驰,等.“模拟与数字电路”Proteus虚拟实验教学设计[J].实验室科学,2016,19(2):142-147）。

图表分析法是一种利用图表、曲线等，描述信号参数之间关系的一种分析工具，可直观地观察系统效果，通过分析其控制规律，可为最优化决策提供依据。

1 Proteus图表工具

2 直流扫描分析图表DC SWEEP的应用

DC SWEEP工具主要用于观察电路参数变化时，对电路工作状态的影响，可用于直流参数特性的测量和研究。

2.1 二极管伏安特性的扫描分析

二极管的伏安特性是描述其端电压u与流过的电流i的关系，Proteus下设计的测量电路如图1所示，其中：

元器件D：为Proteus中DIODE模型库、型号名IN4148的二极管；

直流信号源u：给D提供直流电压，其参数VALUE设置为变量名X(DC SWEEP根据此变量参数而进行仿真)；

探针i：测量流过D的电流。

图1 IN4148伏安特性测量电路

放置直流扫描工具DC SWEEP，双击可打开其属性窗口，根据需要设置Sweep variable、Start value、Stop value等参数。关闭窗口，按空格键，则可得到相应的图表数据，如图2所示。

图2 二极管直流扫描分析图表

由图2所示，可以测得IN4148导通电压Uon、以及电源电压U＞Uon后，其导通电流i与电压u的线性关系等特性，若Start value参数设成-80V，也可从所得图表中观察二极管从击穿、截止到导通整个波形。

2.2 DC SWEEP在测温电路中的应用

除了对电路中电压、电流信号源的参数扫描测量外，还能借用DC SWEEP工具，分析非电信号的图表参数关系。

NTC热敏电阻作为温度传感器，其阻值随温度变化而变化，可利用图3电路实现温度测量，图中：

电源电压U：设为5V工作电源；

温度传感器RT1：选取NTC模型库、型号名IN4148NTSA0XH103的负温度系数的温度传感器（热敏电阻），将其参数Temperature in设置为变量名X；

电阻R1：为分压电阻；

探针u、i：分别测量RT1的电压、电流；

放置DC SWEEP图表，将探针u(或i)拖入图表中（左纵轴或右纵轴）。热敏电阻的阻值曲线可通过u/i方法计算实现，操作方法是：

右击图表、选择Add Traces菜单，打开Trace窗口，根据需要分别设置图4所示参数。

图3 NTC温度测量电路

图4 计算R曲线Trace参数窗口

仿真结果如图5所示，横轴为温度值，左纵轴为电阻R值、右纵轴为电压u值，上、下两曲线分别对应不同温度的R、u曲线。

图5 R、u与温度曲线

3 传递分析图表TRANSFER的应用

TRANSFER工具是另一种用于分析直流输入-输出信号关系的图表分析工具。

3.1 三极管的输出特性的传递分析

三极管的输入、输出特性曲线描述了各电极之间的电压、电流的关系（童诗白.模拟电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2015;弗洛伊德,布奇拉模拟电子技术基础:系统方法[M].北京:机械工业出版社,2015），根据此参数可对其性能、参数和电路进行分析、评估。

输出特性分析测量电路如图6所示。其中：

三极管T：选取BIPOLAR模型库、型号名2N2222 NPN三极管；

信号源uCE：给T集电极C提供直流电压信号；

探针iB：对基极B回路进行电流测量。

探针iC：对集电极C回路进行电流测量。

图6 输出特性测量电路

放置TRANSFER工具，打开其属性窗口，设置其属性。其中：Source1为横轴变量，选择uBE；Source2设置为uCE。其它参数可视要求进行修改。仿真图表如图7所示。

图7 输出特性图表

由图输出特性所示，当iB为一常量时，iC与uCE之间关系。根据其不同iB的输出特性曲线，可分析三极管的三种工作区域：截止区、放大区和饱和区。

3.2 TRANSFER在放大电路中的应用

信号放大电路是模电中最基本、最典型的基本电路之一（严刚峰.一种小信号放大电路设计[J].成都大学学报(自然科学版),2015,4:378-380），利用2N2222构成的共射极放大电路如图8所示。

图8 共射极放大电路

利用TRANSFER工具，分析不同工作电压Ucc下，输出信号Vo与输入信号Vi的波形、参数关系。图9仿真图表为在工作电压分别是7V、5V和3V条件下，输入电压Vi范围为0.4V～2V时的Vo输出波形。

图9 共射极放大电路传递分析图表

由仿真图表数据所示，在5V条件下，输入电压Vi在0.6V～1.44V，输入-输出呈线性关系，即三极管工作在其放大区（低于0.6V则为截止区，高于1.44V则为饱和区）。同时，也可表明，若Vi作为交流信号输入，其中点电压为1.02V、幅值为0.42V。

4 结语

“模电”课程它具有概念抽象、推导复杂、工程性与实践性强的特点（瞿敏,陈光红.Proteus仿真软件在模拟电子技术教学中的应用[J].电脑知识与技,2010,6:9898-9899）。Proteus中DC SWEEP、TRANSFER图表分析工具，可以非常方便地仿真、描述电路中各测量点直流信号之间的关系，借助图表波形观察其控制效果，利用图表数据评估性能参数，从而减轻对电路原理图知识的理解要求，或帮助掌握相关基本概念理解。

此外Proteus中还提供了交流信号的图表仿真、数字信号分析等工具，可为深入研究、掌握模数电知识，创造良好的实践条件（唐美玲.Proteus虚拟实验室建设及其实验项目的开发研究[J].计算机光盘软件与应用,2013.17:113+115;韦平安.Proteus软件在模拟电子技术课程教学中的应用[J].山西电子技术,2017.5:12-14+16）。