2.2 graphs tutorial
2.2.1 介紹
本教程的目的是通過簡單的放大器電路向您展示如何使用Proteus VSM執行基於圖形的仿真。它會逐步引導您完成以下任務：
- 放置圖形，探針和生成器。
- 執行實際的模擬。
- 使用圖形顯示結果並進行測量。
- 對某些可用分析類型的調查。
本教程未涵蓋一般意義上的ISIS的使用-比如：放置組件，對其進行佈線，標記對象等的過程。它是《交互式仿真指南》在某種程度上的擴展，展示了在ISIS手冊中沒有呈現的一些內容。手冊本身。如果尚未熟悉ISIS的使用，則必須先暫緩使用本教程轉而先熟悉ISIS中一些基礎操作。
我們強烈建議您在嘗試進行基於圖的模擬之前，按照本教程的方法進行操作：掌握概念後，可以更輕鬆地吸收參考章節中的內容，並在以後的工作中節省大量時間，避免不必要的失敗。
2.2.2 入門
我們將要模擬的電路是基於741運算放大器的音頻放大器，如下所示。它顯示了741的不同尋常的配置，僅通過5伏電源供電。將反饋電阻R3和R4級的增益設置爲大約10。輸入偏置分量R1，R2和C1在同相輸入上設置了錯誤的接地參考，該參考與輸入信號分離。
通常情況下，我們將對電路進行瞬態分析。這種分析形式最有用，可以提供有關電路的大量信息。用瞬態分析完成對仿真的描述後，將對比其他形式的分析。
如果需要，您可以自己繪製電路，也可以通過Proteus安裝中的“文件”菜單->“打開示例”->“教程”->“Analogue Simulation Tutorial (Part 1)”來加載現成的設計文件。無論您選擇什麼，此時都要確保已運行ISIS並繪製了電路
2.2.3 脈衝發生器
爲了測試電路，我們需要爲其提供合適的輸入。我們將使用具有方波輸出的電壓源作爲測試信號。生成器對象將用於生成所需的信號。
單擊“生成器模式”圖標：對象選擇器顯示可用生成器類型的列表。對於我們的仿真，我們需要一個脈衝發生器。選擇脈衝類型，將鼠標移到IN端子右側的編輯窗口，然後在導線上單擊左以放置發生器。
生成器對象與ISIS中的其他大多數對象一樣。進行與放置之前預覽和定向生成器以及在放置之後編輯，移動，重新定向或刪除對象的過程相同的步驟（請參閱參考手冊中的“生成器和探針”）。
就像我們剛纔所做的那樣，除了與現有的電線連接之外，還可以將脈衝發生器放置在板上，並以正常方式進行佈線。如果將生成器從電線上拖出，則ISIS會假定您要分離它，並且不會像將電線與組件一樣拖拽電線。
注意：如何自動爲發生器分配參考-端子名稱IN。只要將脈衝發生器連接到對象（或直接放置在現有電線上），就會爲其分配與其連接的網絡的名稱。如果網絡沒有名稱，則默認使用最近的組件引腳的名稱。
最後，我們必須編輯發生器以定義所需的脈衝形狀。要編輯生成器，請右鍵單擊它，然後從出現的上下文菜單中選擇“ 編輯屬性 ”。選擇“高電壓”字段並將其值設置爲10mV。同時將脈衝寬度設置爲0.5s。
選擇確定按鈕以接受更改。
對於該電路，僅需要一個發電機，但是對可放置的數量沒有限制。
2.2.4 探針
使用發生器定義了電路的輸入後，我們現在必須將探針放置在我們希望監視的點上。顯然，我們對輸出感興趣，其偏置後的輸入也是探測的有用點。如果需要，可以始終在關鍵點添加更多探針，並重復進行仿真。
要放置探針，請在“電壓探針”圖標上單擊鼠標左鍵（確保您沒有意外選擇電流探針-我們稍後會介紹）。可以按照與發生器相同的方式將探針放置在導線上，或者先放置再佈線。將鼠標移到編輯窗口U1引腳3的左側，然後單擊向左以將探針放在將引腳3連接到R1和R2的電線上。請確保將探針放在電線上，因爲它不能放在針腳上。請注意，它獲取的名稱是它所連接的最近設備的名稱，並在括號中標明瞭引腳名稱。現在，通過在連接點和端子引腳之間的導線上的OUT端子的左側單擊左鍵，放置第二個探針。
探針對象就像ISIS中的生成器和大多數其他對象一樣。在放置之前預覽和定向探針以及在放置之後編輯，移動，重新定向或刪除探針的相同步驟（有關更多信息，請參閱參考手冊中的“探針”部分）。可以編輯探針以更改其參考標籤。在此例中，默認分配的名稱是可以的，但是在標記探針時一個有用的技巧是針對探針的尖端，而不是主體或參考標籤。
現在我們已經準備好進行仿真的電路，我們需要放置一個圖形以顯示結果。
2.2.5 圖表
圖形在模擬中起着重要的作用：它們不僅充當結果的顯示介質，而且實際上定義了要執行的模擬。通過放置一個或多個圖形並指示您希望在圖形上看到的數據類型（數字，電壓，阻抗等），ISIS知道要執行哪種類型的仿真以及需要包括在電路的哪些部分中模擬。對於瞬態分析，我們需要一個模擬類型圖。爲了將其與“數字圖”類型區分開來，將其稱爲模擬而不是瞬態，後者用於顯示數字分析的結果，而數字分析實際上是瞬態分析的一種特殊形式。可以使用“混合圖形”在相同的時間軸上顯示兩者。
要放置圖形，請首先選擇“圖形模型”圖標：“對象選擇器”顯示可用圖形類型的列表。選擇ANALOGUE類型，將鼠標移到編輯窗口，單擊一次以開始放置，拖出適當大小的矩形，然後單擊第二次以放置圖形。
圖的行爲類似於ISIS中的大多數對象，儘管它們確實有一些微妙之處。我們將介紹與本教程相關的功能，詳細信息可參考幫助手冊。您可以使用鼠標左鍵以通常的方式標記圖形，然後（使用鼠標左鍵）拖動其中一個手柄或圖形，以調整圖形的大小和/或重新放置圖形。
現在，我們需要將生成器和探針添加到圖形上。每個發生器都有一個與之關聯的探頭，因此無需將探頭直接放在發生器上即可查看輸入波形。有三種向圖添加探針和生成器的方法：
第一種方法是標記探針/發生器，然後將其拖動到圖形上並釋放它-就像我們在重新放置對象一樣，對每個探針/發生器重複此操作。ISIS檢測到您正在嘗試將探針/生成器放置在圖形上，將探針/生成器恢復到其原始位置，並向圖形添加一條與探針/生成器相同的參考線。軌跡可能與模擬圖中的左軸或右軸相關聯，並且探針/發生器將添加到最靠近其掉落邊的軸上。無論將探針/發生器放在何處，新的跡線總是添加在任何現有跡線的底部。
將探針/生成器添加到圖形的第二種方法和第三種方法都使用圖形菜單上的“添加跟蹤”命令。此命令總是將探針添加到當前圖形（當有多個圖形時，當前圖形是“圖形”菜單上當前選擇的圖形）。
如果在沒有任何標記探針或生成器的情況下調用“添加跟蹤”命令，則會顯示“添加瞬態跟蹤”對話框形式，並且可以從設計中所有探針的列表中選擇一個探針（包括其他原理圖圖紙上的探針）。
如果存在標記的探針/生成器，則調用“添加跟蹤”命令會提示您將標記的探針快速添加到當前圖形；選擇“取消”選項將調用“添加瞬態跟蹤”對話框，如前所述。選擇“確定”選項，會將所有標記的探針/發生器按字母順序添加到當前圖形。
我們將快速將探針和生成器添加到圖形中。可以單獨標記探針和發生器，或者更快地在整個電路上拖動標籤框-快速添加功能將忽略探針和發生器以外的所有已標記對象。從“圖形”菜單中選擇“添加跟蹤”選項，然後對提示回答“是”。跡線將出現在圖形上（因爲只有一個圖形，並且它是最後使用的圖形，因此被視爲當前圖形）。此刻，跡線由一個名稱（在軸的左側）和一個空的數據區域（圖的主體）組成。如果跡線沒有出現在圖形上，則可能對於ISIS來說太小而無法插入。通過標記圖形並拖動角點來調整圖形大小以使其足夠大。
碰巧的是，我們的痕跡（按字母順序排列）已經以合理的順序出現。但是，我們可以改組有關的痕跡。爲此，請確保未標記圖形，然後在要移動或編輯的跟蹤的名稱上單擊鼠標左鍵。跟蹤被突出顯示以表明它已被標記。現在，您可以使用鼠標左鍵上下拖動軌跡或編輯軌跡（通過在不移動鼠標的情況下單擊鼠標左鍵），並使用右鍵單擊刪除軌跡（即從圖形中刪除軌跡）。要取消標記所有跡線，請在圖形上的任意位置單擊鼠標左鍵，但不要在跡線標籤上方單擊（這將標記或刪除跡線）。
在開始仿真之前，需要完成最後一項設置，這是設置仿真運行時間。ISIS將根據圖形x刻度上的結束時間來模擬電路，對於新圖形，默認爲一秒鐘。爲了我們的目的，我們希望輸入方波具有相當高的音頻頻率，例如大約10kHz。這總共需要100ms。標記圖形並在其上單擊以調出其“編輯瞬態圖形”對話框。該表單的字段可讓您爲圖形添加標題，指定其模擬開始和停止時間（它們對應於x軸的最左側和右側的值），標記左側和右側的軸（這些不會顯示在數字圖上）並指定模擬運行的常規屬性。
現在可以進行仿真了。此時，爲了避免前面的錯誤，需要加載我們的設計版本（“打開示例”->“教程”->“ Analogue Simulation Tutorial (Part 2)”）。或者，您可能希望繼續自己輸入的電路，並且僅在出現問題時才加載默認文件
2.2.6 模擬
要模擬電路，您需要做的就是在“圖形”菜單上調用“模擬”命令（或使用其鍵盤快捷鍵：空格鍵）。使用“仿真”命令可以對電路進行仿真，並使用仿真結果更新當前圖形（“圖形”菜單上標記的圖形）。
現在就做。狀態欄指示模擬過程已達到多遠。模擬完成後，將使用新數據重新繪製圖形。對於當前版本的ISIS和模擬器內核，將忽略圖形的開始時間-模擬始終從零開始，一直運行到達到停止時間或直到模擬器達到靜止狀態爲止。您可以通過按ESC鍵中止模擬。
爲最後執行的仿真保留一個仿真日誌。您可以通過單擊原理圖框架左下方的模擬顧問程序來查看此日誌。除非報告警告或錯誤，否則模擬模擬的模擬日誌很少會令人興奮地閱讀，在這種情況下，您可以在其中找到具體出了什麼問題的詳細信息。但是，在某些情況下，模擬日誌會提供有用的信息，這些信息很難從圖形跟蹤中獲得。
至此，第一模擬完成。查看圖上的痕跡，很難看到任何細節。爲了檢查電路是否按預期工作，我們需要進行一些測量。
2.2.7 進行測量
位於原理圖上，電路旁的圖形處於最小化狀態。當要進行時序測量，我們必須首先最大化圖形。爲此，右鍵單擊圖形，然後從出現的上下文菜單中選擇最大化選項。
這將在新選項卡中打開圖形，並更改菜單和圖標以包括適用於圖形的功能。
在屏幕的左側是一個區域，其中顯示了軌跡標籤，在軌跡的右側是軌跡本身。放置光標後，數據和增量值將顯示在圖形的底部。由於這是一個新圖形，並且我們尚未進行任何測量，因此圖形上沒有可見的光標，並且狀態欄僅顯示標題消息。
跡線採用顏色編碼，以匹配其各自的標籤。OUT和U1（POS IP）跡線聚集在顯示屏的頂部，而IN跡線位於底部。要更詳細地查看這些跡線，我們需要將IN跡線與其他兩條跡線分開。這可以通過使用鼠標左鍵將跟蹤標籤拖動到屏幕的右側來實現。這將導致出現右y軸，該軸與左方向分別縮放。現在，IN軌跡看起來要大得多，但這是因爲ISIS爲右軸選擇了比左軸更精細的縮放比例。爲了弄清楚該圖，也許最好完全刪除IN跡線，因爲U1（POS IP）同樣有用。在IN標籤上單擊鼠標右鍵，然後選擇Delete Trace。現在，圖形恢復爲左側的單個y軸。
我們將測量兩個量：
- 電路的電壓增益。
- 輸出的近似下降時間。
這些測量是使用遊標進行的。
每個圖形都有兩個光標，稱爲“參考”和“主”光標。參考光標顯示爲紅色，主光標顯示爲綠色。光標始終被“鎖定”到軌跡，光標被鎖定的軌跡由小“ X”表示，該“ X”佔據波形。x軸和y軸上的小標記都將沿’X’的位置移動，以方便準確地讀取軸。如果使用鍵盤移動，光標將移動到x軸的下一個小格。
讓我們開始放置“參考”光標。相同的鍵/操作用於訪問“參考”和“主”光標。實際受影響的是使用鍵盤上的CTRL鍵選擇的；引用光標（這是兩者中使用最少的）始終可以通過按下CTRL鍵（在鍵盤上）來訪問。要放置光標，您所需要做的就是指向您要將光標鎖定到的跟蹤數據（不是跟蹤標籤，這是用於其他目的），然後單擊向左。如果按下CTRL鍵，則將放置（或移動）“參考”光標；如果CTRL鍵沒有按下，則將放置（或移動）主光標。按住鼠標按鈕（以及“參考”光標的CTRL鍵）的同時，您可以向左右拖動光標。因此，按住（並按住）CTRL鍵，將鼠標指針移動到圖形的兩條軌跡上方的右側，然後按鼠標左鍵。出現紅色的參考光標。將光標（仍然按住CTRL鍵的同時向下）拖動到x軸上大約70u或80u。狀態欄上的標題將被刪除，現在將顯示光標時間（左側爲紅色）和光標電壓以及相關跡線的名稱（右側）。這是我們想要的U1（POS IP）跟蹤。
您可以使用左右光標鍵在X方向上移動光標，也可以使用上下光標鍵將光標鎖定到上一個或下一個軌跡。左鍵和右鍵分別將光標移動到x軸的左或右極限。按住控制鍵的同時，嘗試按鍵盤上的向左和向右箭頭鍵，使“參考”光標沿時間軸上的小格移動。
現在，將主光標放在20u到30u之間的OUT軌跡上。該過程與上面的“參考”光標完全相同，不同之處在於您無需按住CTRL鍵。現在，主光標的時間和電壓（綠色）已添加到狀態欄中。
還顯示兩個光標位置之間的時間和電壓差異。電壓差應小於100mV。輸入脈衝爲10mV高，因此放大器的電壓增益爲10。請注意，該值是正值，因爲主光標位於參考光標上方-在增量讀數中，該值爲主減去參考。
我們還可以通過將光標定位在輸出脈衝下降沿的任一側來使用相對時間值來測量下降時間。這可以通過使用鼠標拖動或使用光標鍵（不要忘記“參考”光標的CTRL鍵）來完成。主光標應變直，應位於曲線的右側，而參考光標應位於下降沿開始處的拐角處。您會發現下降沿不到10m。
2.2.8 使用電流探頭
既然我們完成了測量，就可以返回電路了-只需關閉選項卡右側交叉點的最大化圖即可。
現在，我們將使用電流探針通過測量流入R4的電流來檢查反饋路徑周圍的電流。
電流探頭的使用方式與電壓探頭類似，但有一個重要的區別。電流探針需要具有與其相關的方向。電流探頭的工作原理是有效地折斷一根電線，並將其插入到間隙中，因此它們需要知道走哪條路。只需通過放置它們的方式即可完成。在默認方向（向右傾斜）上，電流探頭會測量水平導線中從左到右的電流。要測量垂直導線中的電流，需要將探頭旋轉90°或270°。將探頭放置在錯誤的角度是一個錯誤，將在執行模擬時報告該錯誤。如有疑問，請查看符號中的箭頭。這指向電流的方向。
通過單擊“probe mode”圖標選擇一個current探針。在順時針旋轉圖標上向左單擊，使箭頭指向下方。然後將探頭放在R4右側和U1引腳6之間的垂直線上。
通過標記並拖動到圖的右側，將探針添加到圖的右側。對於電流探頭，右側是一個不錯的選擇，因爲它們通常在比例尺上與電壓探頭相差幾個數量級，因此需要單獨的軸來詳細顯示它們。
目前，沒有爲當前探針繪製軌跡。按空格鍵可重新模擬圖形，並顯示軌跡。
即使從最小化圖中，我們也可以看到，反饋環路中的電流緊隨輸出端的波形，就像您對運算放大器的期望一樣。在走線的高和低部分，電流分別在10mA和0之間變化。如果您願意，可以最大化圖形以更仔細地檢查軌跡。
2.2.9 頻率分析
除瞬態分析外，在模擬電路仿真中還有其他幾種分析類型可用。它們與圖形，探針和生成器的使用方式幾乎相同，但在此主題上都是不同的變體。我們將考慮的下一種分析類型是頻率分析。在頻率分析中，x軸變爲頻率（對數刻度），並且探測點的幅度和相位都可以顯示在y軸上。
要執行頻率分析，需要一個頻率圖。單擊“圖形模型”圖標，以在對象選擇器中重新顯示圖形類型的列表，然後單擊“頻率”圖形類型。然後像以前一樣在原理圖上放置一個圖形，並用鼠標左鍵拖動一個框。不需要刪除現有的瞬態圖，但是您可能希望這樣做以創建更多的空間（右鍵單擊並從結果上下文菜單中刪除對象）。
現在添加探針。我們將同時添加電壓探頭OUT和U1（POS IP）。在頻率圖中，兩個y軸（左和右）具有特殊含義。左y軸用於顯示探測信號的大小，右y軸用於顯示相位。爲了看到兩者，我們必須將探針添加到圖的兩側。標記OUT探針並將其拖到圖的左側，然後再次將探針拖到右側。每條跡線都具有正常的單獨顏色，但是它們具有相同的名稱。現在，標記U1（POS IP）探針並將其僅拖到圖形的左側。
幅度和相位值都必須相對於某個參考量指定。在ISIS中，這是通過指定參考生成器來完成的。參考發生器在0°處始終具有0dB（1伏）的輸出。任何現有的生成器都可以指定爲參考生成器。頻率分析中將忽略電路中的所有其他生成器。要將IN生成器指定爲電路中的參考，只需將其標記並拖動到圖形上，就好像您將其添加爲探針一樣。ISIS假定由於它是生成器，所以您將其添加爲參考生成器，並在狀態行上打印一條消息以確認這一點。確保已完成此操作，否則模擬將無法正常工作。
無需編輯圖形屬性，因爲默認情況下選擇的頻率範圍對我們而言是合適的。但是，如果這樣做（右鍵單擊圖形並選擇“編輯屬性”），您將看到“編輯頻率圖形”對話框形式與瞬態情況略有不同。無需標記軸，因爲它們的用途是固定的，並且有一個複選框可以以dB或標準單位顯示幅度圖。最好將此選項設置爲dB，因爲否則顯示的絕對值將不是電路中的實際值。
現在，通過右鍵單擊圖形並從上下文菜單中選擇“模擬”選項來開始模擬。完成後，通過像以前一樣在新選項卡中打開圖形來最大化圖形（右鍵單擊上下文菜單）。
首先考慮OUT幅度軌跡，我們可以看到通帶增益剛好超過20dB（正如預期的那樣），可用頻率範圍約爲50Hz至20kHz。遊標的工作方式與以前完全相同-您可能希望使用遊標來驗證上述語句。
OUT相位跡線顯示了在響應極限處的預期相位失真，在單位增益頻率處，剛好在曲線圖的右側下降到-90°。如果檢查U1（POS IP）幅度軌跡，則可以清楚地看到輸入偏置電路的高通濾波器效果。請注意，x軸刻度是對數的，要從該軸讀取值，最好使用光標。
2.2.10 掃描變量分析
ISIS可以查看通過更改某些電路參數對電路的影響。有兩種分析類型可以使您執行此操作-DC掃描和AC掃描。直流掃描圖顯示一系列針對掃描變量的工作點值，而交流掃描圖顯示一系列單點頻率分析值，其幅度和相位形式類似於頻率圖。
由於這些分析形式相似，因此我們僅考慮一種-DC掃描。輸入偏置電阻R1和R2受流入U1的小電流的影響。爲了瞭解改變這兩個電阻的值如何影響偏置點，使用了直流掃描。
首先，將直流掃描圖放置在原理圖上未使用的空間上。然後標記U1（POS IP）探針並將其拖到圖形的左側。我們需要設置掃描值，這是通過編輯圖形（右鍵單擊-編輯屬性）來完成的。“編輯DC掃描圖”對話框對話框包含用於設置掃描變量名稱，其開始值和結束值以及掃描中執行的步數的字段。我們要在100kW至5MW的範圍內掃描電阻值，因此將Start字段設置爲100k，將Stop字段設置爲5M。單擊確定以接受更改。
當然，需要改變電阻器R1和R2使其掃過，而不是已經固定的值。爲此，請在R1上雙擊鼠標左鍵進行編輯，然後將“值”字段從470k更改爲X。請注意，圖形對話框形式中的掃描變量也保留在X處。單擊確定，然後在R2上重複編輯以將其值設置爲X。
現在，您可以通過右鍵單擊圖形並選擇模擬選項來模擬圖形。然後，通過最大化圖形，您可以看到隨着偏置鏈電阻的增加，偏置電平也隨之降低。到5MW時，它的變化很大。
當然，改變這些電阻也會對頻率響應產生影響。我們可以以50Hz的頻率進行AC掃頻分析，以便觀察對低頻的影響。
2.2.11 噪聲分析
可用的最終分析形式是噪聲分析。在這種分析形式中，模擬器將考慮每個組件將產生的熱噪聲量。然後，將所有這些噪聲貢獻在電路中的每個探測點求和（已平方）。將結果與噪聲帶寬作圖。
噪聲分析有一些重要的特點：
- 仿真時間與電路中電壓探頭（和發生器）的數量成正比，因爲將考慮每一個。
- 電流探頭在噪聲分析中沒有意義，因此被忽略。
- 模擬日誌文件中提供了大量信息。
- PROSPICE計算輸入和輸出噪聲。爲此，必須定義輸入參考-通過將生成器拖到圖形上來完成，就像使用頻率參考一樣。然後，輸入噪聲圖會顯示每個探測到的輸出點的輸入等效噪聲。
爲了對電路進行噪聲分析，我們必須首先將R1和R2恢復到470kW。現在就做。然後選擇“噪聲”圖類型，然後在原理圖的未使用區域上放置一個新圖。實際上，這只是我們感興趣的輸出噪聲，因此標記OUT電壓探頭並將其拖到圖表上。和以前一樣，模擬的默認值可以滿足我們的需要，但是您需要將輸入參考設置爲輸入生成器IN。“編輯噪聲圖”對話框具有用於顯示結果（以dB爲單位）的複選框。如果使用此選項，請注意將0dB視爲1伏rms。單擊“取消”關閉對話框。
像以前一樣模擬圖形。當圖形最大化時，您可以看到這種分析形式產生的值通常非常小（在本例中爲pV），就像您從此類噪聲分析中所期望的那樣。但是，如何跟蹤電路中的噪聲源？答案在於模擬日誌。單擊原理圖框架底部的仿真顧問，現在查看仿真日誌。
使用向下箭頭圖標向下移動到操作點打印輸出之外，您應該看到一行文字開始
“ …的總噪聲貢獻”
這列出了每個產生噪聲的電路元件的噪聲貢獻（在整個頻率範圍內）。實際上，大多數元素都在運算放大器內部，並以U1_作爲前綴。如果在“編輯噪聲圖”對話框中選擇“對數譜貢獻”選項，那麼您將獲得更多的對數數據，顯示每個分量在每個點頻率處的貢獻。