~ PROTEUS ~

~ 2014 ~

2

Introducere

Introducerea tehnicii moderne de calcul în laboratoarele de cercetare şi proiectare a dat

naştere la un nou termen, din ce în ce mai folosit în limbajul tehnic contemporan: proiectarea

asistată de calculator.

Eleganţa acestei metode de proiectare, reducerea duratei şi costului unui proiect au fost

numai câteva din motivele pentru care, în deceniul actual, tot mai multe firme cu renume au scos

pe piaţă pachete performante de programe, cu facilităţi deosebite.

Analiza modului în care funcționează circuitele electrice implică rezolvarea unui sistem

de ecuaţii. Problema cea mai uşoară o constituie determinarea punctului static de funcţionare al

unui circuit liniar. Rezolvarea acestei probleme cere găsirea soluţiilor unui sistem de ecuaţii

algebrice care rezultă din cele două teoreme ale lui Kirchhoff şi din relaţiile constitutive pentru

elementele din laturi (branch constitutive ecuation).

În cazul unui circuit mic cu elemente liniare, determinarea prin analiză manuală a soluţiei

exacte de c.c. este o problemă uşor de rezolvat. Pentru circuitele mai mari, găsirea soluţiei de c.c.

şi în special al soluţiilor în domeniul frecvenţă sau în domeniul timp devine o problemă foarte

complexă. Analiza circuitelor care conţin elemente descrise de o relaţie neliniară între tensiune şi

curent sporeşte nivelul de complexitate deoarece implică rezolvarea relaţiilor curent-tensiune

neliniare ale elementelor din laturi, simultan cu ecuaţiile rezultate din teoremele lui Kirchhoff. În

această situație prin analiza manuală se poate obţine în general numai o soluţie aproximativă şi

numai în cazul unor circuite mici.

3

Mediul de simulare PROTEUS

Mediul de simulare PSPICE

SPICE este un simulator de circuit de uz general pentru analiza neliniară de c.c., analiza

neliniară tranzitorie şi analiza liniară de c.a. Programul este la fel de potrivit atât pentru

rezolvarea circuitelor liniare, cât şi a celor neliniare. SPICE poate simula cu aceeaşi precizie

circuite care acoperă o gamă variată de aplicaţii: de la surse în comutaţie până la celule de

memorie şi amplificatoare de citire.

Circuitele analizate cu SPICE pot conţine: rezistoare, condensatoare, bobine, bobine

cuplate, surse de tensiune şi de curent independente, surse de tensiune şi de curent dependente

sau comandate, linii de tensiune şi cele mai uzuale dispozitive semiconductoare: tranzistoare

bipolare, tranzistoare cu efect de câmp cu grilă-joncţiune, tranzistoare cu efect de câmp metal-

oxid-semiconductor, tranzistoare cu efect de câmp metal-semiconductor.

Partea de analiză de c.c, sau ANALIZĂ DC (DC analysis) a programului calculează

punctul static de funcţionare în care condensatoarele sunt deconectate şi bobinele scurtcircuitate.

SPICE rezolvă în mod iterativ ecuaţiile neliniare care descriu circuitul. Neliniarităţile sunt

determinate în principal de caracteristicile neliniare ale dispozitivelor semiconductoare.

Mediul de simulare PROTEUS

Pachetul de programe Proteus combină crearea unor scheme complexe, simularea SPICE

mixtă, obţinerea cablajului imprimat şi opţiuni de autorutare, în vederea executării unui sistem

electronic complex. De asemenea, acesta include o tehnologie de modelare virtuală a sistemelor,

care permite stimularea schemelor ce se bazează pe microcontrolere şi a tuturor componentelor

electronice. Proteus face posibilă interacţiunea cu circuitul simulat în timp real, utilizând modele

ale echipamentelor periferice animate precum display-uri LED/LCD, tastatură, terminal serial

RS232, ş.a.

Programul ISIS (Intelligent Schematic Input System), ce face parte din pachetul Proteus,

oferă o interfaţă grafică atractivă pentru utilizator, permiţând realizarea schemelor electrice într-

un mod cât mai simplu. El oferă controlul absolut asupra aspectului schemelor, în ceea ce

priveşte grosimea liniilor, stilurile de umplere, culori şi fonturi. După finalizarea schemei,

aceasta poate fi exportată într-un fişier grafic sau copiată în clipboard pentru a fi încorporată în

alte documente, rapoarte de proiect şi, de asemenea, pentru realizarea cablajului imprimat.

4

ISIS permite crearea schemelor multi-sheet (echivalente circuitelor care se întind pe mai

multe pagini) dar şi a schemelor ierarhice (o componentă poate fi definită ca un modul care este

descris de o altă diagramă de circuit). Ierarhia poate fi construită pe mai multe nivele, iar

modulele pot fi desenate ca circuite standard sau blocuri speciale de sub-circuit. Schemele

ierarhice sunt folosite atât în crearea unor scheme complexe cât şi în simulare.

Magistralele sunt folosite pentru reprezentarea conexiunilor paralele multiple, mai ales

pentru liniile de date şi de adrese la schemele cu microprocesoare. Programul ISIS permite atât

conectarea la magistrale, cât şi posibilitatea de a defini componente sau sub-circuite cu pini pe

magistrală. În acest fel conexiunea dintre procesor şi memorie poate fi realizată pe magistrală,

reprezentarea fiind făcută printr-un singur fir, economisind atât timp cât şi spaţiu în cadrul

planşei de lucru.

Fiecare componentă din planşa de lucru poate avea un număr arbitrar de proprietăţi sau

atribute. Unele proprietăţi controlează funcţii specifice ale programului (ex: capsula PCB,

modelul simulatorului) dar se pot adăuga proprietăţi personalizate pentru a reţine informaţii

precum coduri de stocare şi preţul componentei. La crearea unei componente într-o librărie, este

disponibilă definirea proprietăţilor şi valori implicite ale acestora. Definirea proprietăţilor se face

prin descriere în limba engleză, iar acestea vor fi afişate în câmpuri individuale de editare. De

asemenea, se pot specifica domenii limită adecvate pentru valorile numerice şi liste de cuvinte

cheie pentru câmpurile de tip string.

Programul ISIS este disponibil cu o librărie de componente cu peste 6000 de elemente.

Librăriile conţin simboluri standard, tranzistoare, diode, valve termice, circuite compatibile TTL,

CMOS, ECL, microprocesoare, memorii, PLD-uri, componente analogice şi amplificatoare

operaţionale în conformitate cu librăriile specificate de producători precum: National

Semiconductor, Philips, Motorola, etc. De asemenea, programul permite utilizatorului să-şi

creeze propriile componente, pe măsura amplasării lor în schemă.

Generarea listei de materiale folosite poate fi configurată pentru a include şi proprietăţile

dorite ale componentelor. La fel de utilă poate fi generarea raportului ERC care include

eventuale erori de conectare, conflicte şi etichetări eronate ale componentelor.

Simularea circuitelor din Proteus este dirijată în totalitate prin intermediul programului

ISIS. Reprezentările grafice sunt amplasate alături de circuitul simulat, având conectate

generatoarele şi sondele direct pe fire. Circuitul poate fi simulat în orice moment prin apăsarea

tastei SPACE şi în acest mod circuitul de editare-simulare este extrem de rapid.

Programul PROSPICE permite verificarea funcţionării schemei electrice utilizând

componente care pot fi activate folosind mouse-ul (ex: potenţiometre, contacte simple sau

5

multiple), iar vizualizarea evenimentelor se face pe ecranul monitorului folosind leduri, afişoare

7-segmente, LCD-uri, ampermetre sau voltmetre. De asemenea, este disponibil un număr de

instrumente virtuale precum osciloscopul, generatorul de semnal şi analizatorul logic, care

funcţionează aproape în acelaşi fel cu cele reale.

Este posibilă simularea circuitelor cu microcontrolere precum cele din familia PIC,

Motorola sau Amtel, ataşând programe corespunzătoare care pot fi simulate atât intern cât şi cu

un simulator extern. ISIS permite şi depanarea programelor ataşate la microcontroler, executând

instrucţiunile pas cu pas. Există, de asemenea, posibilitatea de a introduce puncte de întrerupere

în locuri strategice din program. Pentru a verifica dacă valorile regiştrilor sau variabilele sunt în

conformitate cu funcţionarea programului este disponibilă o fereastră în care acestea se pot

vizualiza.

Programul ARES (Advanced Routing and Editing Software) permite realizarea cablajelor

imprimate ale microsistemelor pornind de la schema realizată în ISIS. Rezoluţia cu care se

amplasează componentele este de 10 nanometri la o placă de maxim 20 m. Componentele pot fi

rotite cu un unghi minim de 0,1 grade.

Proiectarea schemelor în mediul Proteus

După instalarea soft-ului, putem porni programul din meniul Start, iar în urma acestei

comenzi, va rula editorul de scheme ISIS Professional.

Figura 1: Pagina de Start – ISIS Professional

După cum se observă, în partea dreaptă avem planșa de lucru, în stânga este o listă de

unelte, iar deasupra acestora avem bara de meniuri.

6

Pentru a exemplifica modul de funcţionare al programului, voi crea o schemă simplă şi

anume un led care va fi aprins prin apăsarea unui buton. Pentru acest proiect avem nevoie de un

buton, de un led, de o sursă de tensiune şi de o rezistenţă pentru a limita curentul prin circuit.

Mai întâi vom aduce aceste piese din librărie în partea stângă, în lista DEVICES. Pentru a aduce

elementele în listă, mergem în meniu, la Library şi selectăm Pick Device/Symbol sau apăsăm

butonul P de lângă DEVICES. Va apărea o fereastră în care va trebui să selectăm componentele.

Mergem apoi în stânga sus, la câmpul Keywords şi scriem “button”. Ca rezultat, vom avea 2

dispozitive ca în figura de mai jos:

Figura 2: Selectare dispozitive

Dăm dublu click pe “button” pentru a fi adăugat în lista de dispozitive din partea dreaptă

a ecranului.

Figura 3: Adăugare buton

7

Procedăm asemănător şi pentru alegerea rezistorului şi a

LED-ului. Pentru rezistor, căutăm la Keywords cuvântul

“resistor”, iar pentru LED căutăm LED-BIBY. După ce am ales

componentele, închidem fereastra deoarece urmează să alegem

sursa de tensiune. Pentru acest lucru, mergem în stânga şi

selectăm butonul “Generator Mode”.

Din lista de generatoare selectăm DC, adică sursa de

tensiune continuă, apoi plasăm această sursă în planşa de lucru.

Totuşi, pentru circuitul nostru avem nevoie şi de conexiunea la

masă(GROUND). Aceasta se poate obţine tot din stânga de la

butonul Terminal Mode.

Figura 4: Sursa și masa

Tensiunea de lucru a microcontrolerului ATMega 8 este de 5 volţi, deci pentru uşurinţă

vom seta şi tensiunea sursei pentru aplicaţia curentă tot 5 volţi, urmând ca la majoritatea

aplicaţiilor să avem la bornele de alimentare tot această tensiune. Pentru setare se va da dublu

click pe sursă şi se va seta 5 la caseta Voltage.

8

Figura 5: Setarea voltajului

Circuitul mai are nevoie de LED şi rezistenţa de limitare a

curentului în circuit. În lipsa rezistenţei, curentul ar creşte şi ar

distruge sursa chiar dacă simularea funcţionează şi fără ea. Valoarea

rezistenţei va fi 1K, astfel vom avea un curent de 5 miliamperi.

Pentru plasarea rezistenţei şi a LED-ului vom alege din dreapta

butonul Component Mode.

Vom plasa butonul, rezistenţa şi LED-ul între sursă şi masă.

Componentele se vor roti prin click dreapta – Rotate, iar legăturile

între elemente se fac prin ducerea

creionului în dreptul elementului şi

trasarea liniei până la elementul următor. Setarea rezistenţei se

face prin apăsarea dublului click pe ea şi înscrierea valorii

dorite în câmpul Resistence. Schema finală ar trebui să arate

cam aşa:

Pentru a simula schema creată apăsaţi butonul Play din

stânga paginii jos.

Dacă totul este în regulă, vom putea vedea led-ul aprins la apăsarea butonului:

9

Figura 6: Schema completă

Concluzii

Proteus reprezintă o suită de aplicații produsă de Labcenter Electronics pentru designul

de sisteme electronice. Suita oferă aplicații pentru realizarea de scheme electronice, simularea

acestora, scrierea și compilarea de cod destinat circuitelor simulate, PCB design, etc.

Pachetul de programe Proteus combină crearea unor scheme complexe, simularea SPICE

mixtă, obţinerea cablajului imprimat şi opţiuni de autorutare, în vederea executării unui sistem

electronic complex. De asemenea, acesta include o tehnologie de modelare virtuală a sistemelor,

care permite stimularea schemelor ce se bazează pe microcontrolere şi a tuturor componentelor

electronice. Proteus face posibilă interacţiunea cu circuitul simulat în timp real, utilizând modele

ale echipamentelor periferice animate precum display-uri LED/LCD, tastatură, terminal serial

RS232, ş.a.

Programul ISIS (Intelligent Schematic Input System), ce face parte din pachetul Proteus,

oferă o interfaţă grafică atractivă pentru utilizator, permiţând realizarea schemelor electrice într-

un mod cât mai simplu. El oferă controlul absolut asupra aspectului schemelor, în ceea ce

priveşte grosimea liniilor, stilurile de umplere, culori şi fonturi. După finalizarea schemei,

aceasta poate fi exportată într-un fişier grafic sau copiată în clipboard pentru a fi încorporată în

alte documente, rapoarte de proiect şi, de asemenea, pentru realizarea cablajului imprimat.