第1章 Proteus概述和Proteus設計快速入門

Proteus是1988年由英國Labcenter Electronics公司研發的包括單片機、嵌入式系統在內的EDA（電子設計自動化）系統，是最新的、充滿活力的由概念到產品的EDA系統。本章將引領你快速進入Proteus世界，使你領略Proteus的強大功能及其無窮的魅力。

1.1 Proteus概述

1.1.1 Proteus結構體系

Proteus系統主要由ISIS電路設計與仿真平臺、ProSPICE模數混合模式仿真器、VSM單片機/嵌入式系統協同仿真和ARES PCB設計體系等構成，是一個真正由概念到產品的電子設計自動化系統。其基本結構體系可用圖1-1表示，也可將它簡化為“ISIS”?“仿真”?“PCB設計”模式。

Proteus還有眾多的虛擬儀器（示波器、邏輯分析儀等）、信號源，以及高級圖表仿真ASF，它們為高效、高質、高速地完成電子設計提供了檢測、調試、分析的手段，是易學、易懂、易掌握的優秀電子設計自動化（以下簡稱“電子設計”）系統。

1.1.2 Proteus電子設計系統的設計流程

Proteus電子設計，可按“ISIS”→“仿真”→“PCB設計”進行，這是完整的設計過程，其設計流程大致如圖1-2所示。若無須“仿真”，則可跳過“仿真”，由“ISIS”直接進入“PCB設計”。因“仿真”有書[1-2]詳細敘述，故本書重點敘述ISIS原理圖設計（以下稱“電路設計”）和PCB的設計，對仿真只做必要的敘述。

1.1.3 Proteus ISIS窗口與特性

在計算機中安裝好Proteus后，單擊“開始”→“程序”→“Proteus 7 Professional”→“”，啟動ISIS，進入ISIS窗口，如圖1-3所示。窗口中的編輯區是電路設計與仿真平臺，也是Proteus PCB設計的基礎。

1. ISIS窗口與特性

（1）工具欄及其工具按鈕

（2）編輯區（又稱“工作區”）

在編輯區中可進行電路設計、仿真、自建元器件模型等。ISIS窗口右下角的藍色方框內為編輯區，電路設計要在此框內完成。

（3）對象選擇器及對象預覽窗口

對象選擇器列出了各種操作模式下的具體對象。操作模式有元件、終端、圖表、激勵源、虛擬儀器等。該選擇器上方的條形標簽表明了當前操作模式下所列的對象類型，如圖1-4（a）所示，當前為元件模式，所以對象選擇器上方的條形標簽為“DEVICES”（元件）。該標簽左邊有兩個按鈕，其中“P”為從庫中查找選取元件按鈕，“L”為庫管理按鈕。這時若單擊“P”則可從庫中查找選取元件，所選元件名稱一一列在此對象選擇器中。對象預覽窗口配合對象選擇器預覽元件等對象，也可用于查看編輯區的局部或全局。

① 預覽元件等對象。單擊對象選擇器區中某個對象，對象預覽窗口就會顯示該對象的圖形符號。如圖1-4（a）所示，預覽窗口顯示出運放741的圖形符號。

② 當鼠標在編輯區操作時，預覽窗中一般會出現藍色方框和綠色方框。藍色方框內是編輯區的全貌，綠色方框內是窗口中可見的編輯區。在預覽窗口單擊，移動鼠標則綠色方框會改變位置，窗口中的編輯區也隨之變化。如圖1-4（b）所示，預覽編輯區域處于整個編輯區的左下角，即為預覽窗口中綠框包圍的部分。

2. ISIS特性

（1）個性化編輯環境：自定義線寬、填充類型、顏色、字體等，生成高質量原理圖。

（2）快捷選取/放置元器件：模糊搜索元件。

（3）自動捕捉、自動連線：鼠標驅動繪圖過程，以器件為導向自動走線。

（4）豐富的元件庫：元件模型數量超過50000個，其中仿真模型近46000個。

（5）可視化PCB封裝工具：可對元件進行PCB封裝定義及PCB圖預覽。

（6）層次化設計：支持子電路和參數電路的層次設計。

（7）總線支持：支持模塊電路端口、器件引腳和頁內終端總線化的設計。

（8）屬性管理：支持自定義元件文本屬性、全局編輯屬性和引入外數據庫屬性。

（9）用電氣規則檢查ERC、元件報告清單BOM等。

（10）輸出網絡格式：Labcenter SDF、SPICE、SPICE-AGE、Tango、BoardMaker等。

（11）支持多種圖形格式輸出：可通過剪貼板輸出Windows位圖，圖元文件，HPGL、DXF和EPS等格式的圖形文件，可輸出到繪圖機、彩色打印機等Windows打印設備。

1.1.4 ARES窗口與特性

1. ARES窗口

在ISIS窗口中正確完成電路原理圖設計（及仿真）、存盤且通過設計瀏覽器檢查后，單擊工具欄中的工具按鈕，則生成網表并進入ARES窗口進行PCB設計。ARES窗口如圖1-5所示。

（1）工具條及其工具操作按鈕（與ISIS相同的工具按鈕未列出）

（2）ARES編輯區

ARES編輯區為Proteus PCB設計平臺，在編輯區中可進行手工布局、自動布局，手工布線、自動布線、3D預覽、PCB設計圖輸出，等等。

（3）對象選擇器

對象選擇器列出了各種操作模式下的具體對象，操作模式有元件、封裝、導線、過孔、焊盤等。該選擇器上方的條形標簽表明了當前操作模式下的對象類型。如圖1-5所示，當前為元件模式，所以對象選擇器區上方的條形標簽為“COMPONENTS”（元件）。該標簽左邊有按鈕，單擊還可創建“新元件”。

（4）預覽窗口

選中某元件，在對象預覽窗口中可顯示出該元件的封裝。例如，圖1-5中顯示的是元件C1及其封裝。類似ISIS窗口，預覽窗口也可查看ARES編輯區的局部或全局。

（5）設計單位

in：inch（英寸）

th（mil）：10e-3inch（1/1000英寸）

m: meter（米），mm（毫米），cm（厘米）

1in = 25.4mm

2. ARES的主要特性

ARES是基于高性能網表的設計系統，能高效、高質地完成PCB設計。其主要特性如下：

（1）16個銅箔層、2個絲印層、4個機械層、板界、禁止布線層、阻焊層和錫膏層；

（2）任意角度的元件放置、焊盤棧；

（3）自動生成飛線和力向量；

（4）拖放實現引腳交換、門交換；

（5）理想的基于網表的自動、手工布局系統及自動、手工布線系統；

（6）非柵格多邊形電源板，支持盲孔和埋孔；

（7）連通檢查CRC和物理設計規則檢查DRC，保證設計的完整性；

（8）豐富的可持續擴充的封裝庫，目前有近5000個封裝；

（9）Windows裝置的任何輸出、ODB++、CAD/CAM輸出和嵌板制造輸出工具；

（10）基于成本運算法則，可達到最大布通率；

（11）雙面布線SMD元件；

（12）3D視圖。

ARES中的自動布線器是Proteus中強大的工具，能節省大量的時間和精力，有如下兩項原則技術。

① 基于形狀的自動布線：能更有效地利用布線面積，更適合于處理高密度PCB。

② 沖突減少運算法則：布線器向沖突放置路線，然后用多通道基于成本沖突減少運算法則尋找一處適應網絡自然流的布線方案。在初始通道上，布線器接收用一個相對低成本的有交叉或間距沖突的布線路徑方案，隨后成本慢慢遞增直到沖突消除。這種適應性的布線技術被證明在復雜的高密度PCB設計上能達到明顯高的布通率。

1.2 Proteus設計快速入門（電路設計、仿真、PCB設計）

本節以簡單的RC橋式振蕩器為例，介紹Proteus電路設計、仿真和PCB設計的快速入門。板型采用系統默認的雙層板。

1.2.1 RC橋式振蕩器及其元件

RC橋式振蕩器原理圖如圖1-6所示，所用元件如表1-1所示。

1.2.2 RC橋式振蕩器的電路設計（ISIS）

1. 建立、保存和打開文件

進入ISIS，窗口如圖1-3所示。單擊菜單中的“File”→“New Design”，彈出如圖1-7所示的Create New Design（創建新設計）對話框。單擊“OK”按鈕，則以默認模板（DEFAULT）建立一個新的空白文件。

單擊按鈕，選擇合適的路徑，輸入文件名（本例取名RCZDQ）后再單擊“保存”按鈕，則保存為新的設計文件，并自動加上后綴DSN。單擊按鈕，還可選擇打開已有的DSN文件。

2. 設置、改變圖紙大小

系統默認圖紙大小為A4，長×寬為10in×7in。若要改變圖紙大小，單擊菜單“System”→“Set Sheet Size”（設置圖紙大小），出現如圖1-8所示的窗口。可選擇A0～A4圖紙中的一種，也可選擇“User”（自定義）復選框，再按需要更改圖紙長和寬的數據。

3. 從庫中查找選取元件

（1）單擊工具按鈕，進入元件模式，再單擊對象選擇器中的按鈕“P”，彈出元件選取窗，如圖1-9所示。若元件不是仿真模型，則在右上角的預覽框中顯示“No Simulator Model（非仿真模型）”。若期望設計電路能進行仿真，選中“Show only parts with models（只選仿真模型）”復選框。本例元件選取仿真模型；接插件為非仿真模型，不參加仿真。

（2）輸入關鍵字：在“Keywords（關鍵字）”欄中輸入元件的關鍵字，一般是元件名或元件名中的部分字。例如：二極管1N4148的4148，則與關鍵字4148有關的元件都列出，每個元件占一行，如圖1-9所示。

（3）選中元件：單擊所要選取的元件，則該元件行呈現藍色背景，表示選中。

（4）選取元件：在要選取元件所在行雙擊，則將其加入對象選擇器中。

照此操作可將RC橋式振蕩器電路所用的7個元器件一一選入對象選擇器中，如圖1-9左中部所示。

4. 放置、操作元件

按圖1-10的放置、操作元件圖所示，安排好各元件（對象）在ISIS編輯區中的位置。元件放置、移動、轉向等操作如下。

（1）放置：在對象選擇器中單擊選中要放置的元件（出現藍色背景），將鼠標移至ISIS編輯區單擊則出現該元件的輪廓，將它移至期望位置處單擊，則元件放置到該位置。

（2）選中：對編輯區要選中元件單擊，出現高亮（默認紅色）顯示，則選中該元件。

（3）取消選中：在編輯區空白處單擊。

（4）移動：選中對象，再按住鼠標左鍵拖動。

（5）轉向：編輯區中的對象轉向，右擊對象，彈出快捷菜單，如圖1-11所示，從中選擇相應轉向按鈕（順時針旋轉、……、Y鏡像）便可實現。

（6）刪除：右擊對象，從快捷菜單中選擇刪除對象操作命令，如圖1-11所示。

（7）編輯元件（設置屬性）：將光標移至元件，雙擊彈出編輯元件對話框，如圖1-12所示，設置C2的電容值為3000nF，設置其封裝為CAP10；設置可調電阻RV1的阻值為20k，設置其封裝為PRE-SQ4，如圖1-13所示。

5. 放置電源、地終端

單擊工具按鈕，在對象選擇器中列出了7個終端，如圖1-14所示。單擊選中其中的POWER（電源）終端，則在對象預覽窗口顯示它的符號，然后將光標移至編輯區期望放置的位置處，雙擊放置。用類似操作可將GROUND（地）終端放置到編輯區中期望位置處。

6. 連線、布線

系統默認自動連線器按鈕有效（下陷）。移動光標到連線起點，自動捕捉并出現綠色鉛筆標志后單擊（若不出現可單擊工具按鈕），再移動光標（隨之有移動的走線）到連線終點，自動捕捉并再次出現綠色鉛筆標志時單擊，則完成換向為直角形式的連線。走線時，若遇到障礙會自動繞開，這就是智能連線的特點，如圖1-15所示。

圖1-16表示出完成連線后的RC橋式振蕩器的ISIS電路設計。

7. Proteus仿真

若不進行仿真，可跳過此段直接進入下一段（即8.打開設計瀏覽器…）；若要仿真，則依下列步驟進行，如圖1-17上方所示。

（1）單擊虛擬儀器模式按鈕，對象預覽窗口中列出Proteus虛擬儀器。

（2）從中單擊選中OSCILLOSCOPE（四通道示波器）。

（3）放置示波器符號，放置方法同放置元件。

（4）將示波器的A通道連線至電路測試點。

（5）單擊仿真啟動按鈕進行仿真，同時在ISIS窗口中出現虛擬示波器，如圖1-17下方所示。

（6）按照圖1-17示波器面板，用鼠標單擊方法調整時基每格為0.2ms，A通道每格電壓為0.2V，適當調節顯示位置，便可觀察到RC橋式振蕩器產生的如圖1-17下方所示的波形。

8. 打開設計瀏覽器查看封裝等信息

單擊工具按鈕，彈出如圖1-18所示的電路設計瀏覽器信息窗口。圖中左邊為設計頁名稱，右邊窗口中4列依次是各元件編號、名稱、值（或名稱）和封裝。若某元件沒有封裝，則瀏覽窗口中對應的元件封裝列中會出現missing高亮紅色顯示。此例所有元件都有封裝，所以無此提示。

9. 單擊生成網表并進入ARES

單擊按鈕ISIS窗口工具欄中的工具按鈕，則自動生成網表并進入ARES設計窗口（或菜單操作“Tools”→“Netlist to ARES”）。網表也自動加載到ARES中。ARES為PCB設計平臺，是高性能的PCB自動化設計工具。

1.2.3 RC橋式振蕩器的PCB設計（ARES）

單擊按鈕，保存PCB文件。文件名自動為“RCZDQ.LYT”，后綴LYT表示PCB文件。

1. 設置板界

如圖1-19所示，單擊2D框體模式工具按鈕，單擊層選擇器，從彈出的層列表中單擊選擇邊框層“Board Edge（邊框層）”，然后在編輯窗口適當位置單擊，并移動鼠標拖出一個適當大小的方框（黃色），單擊確認，即為板界。元件和PCB布線都不要超越該框。

2. 元件布局

元件布局有手工布局、自動布局，也可手工、自動混合布局。

（1）手工布局：本例先采用手工布局安排好元件J1、J2、RV1和RV2，如圖1-20右方所示。如圖1-20左方所示，要布局RV1（可調電阻），先單擊選擇元件模式，在對象選擇器中彈出元件編號列表，在元件編號列表中單擊選中RV1，對象預覽窗口中顯示該選中對象（RV1）的封裝。移動光標至編輯區中期望位置雙擊則完成放置，同時元件編號列表中的RV1也隨之消失。元件J1、J2、RV2均照此操作一一放置。放置元件的同時，元件間的連接關系以細綠線呈現，該線稱為飛線；同時也出現表示方位關系的帶箭頭細黃線，稱為力向量。若布局不滿意，可對各元件進行轉向、移動等調整操作，操作方法同ISIS中的操作。移動或轉動時，飛線、力向量也會相應變化。

（2）自動布局：本例其他元件使用自動布局。操作菜單“Tools”→“Auto Placer”（自動布局），彈出自動布局對話框（圖1-21左圖）。這里采用默認設置，直接單擊“OK”按鈕，這時對象選擇器中的元件相應的封裝一一自動放置在板界框內，隨之對象選擇器中的相應元件編號也一一消失。元件間的連接關系以飛線表示，方位關系以力向量表示。若對布局不滿意，可對它們進行轉向、移動等手工調整操作，操作方法同ISIS中的操作，移動或轉動時，飛線、力向量也會自動做相應的變化。最后的布局如圖1-21右圖所示。

3. 布線

本例采用自動布線。單擊工具按鈕，彈出“Shape Based Auto Router（自動布線框）”，如圖1-22左圖所示。這里采用默認設置，直接單擊“Begin Routing（開始布線）”按鈕進行自動布線，其結果如圖1-22右圖所示。布線中，底層線為藍色，頂層線為紅色。

1.2.4 RC橋式振蕩器PCB的3D視圖

Proteus還提供了PCB的3D（三維）視圖輸出，由此可預覽電路板在現實中的模樣。

布線完成后，操作菜單“Output”→“3D Visualization（三維視圖輸出）”，進入三維視圖窗口。可從多個角度觀察立體電路板；也可從多個角度觀察立體電路板的裸板（即不帶元件）。可操作3D預覽窗口中預覽工具條中的各相應按鈕，實現PCB以光標中心顯示、放大、縮小、頂視圖、前視圖、左視圖、后視圖、右視圖、高度限制、裸板等全方位三維預覽。如圖1-23所示，上圖為完整PCB的三維預覽，下圖為其裸板的三維預覽。

1.2.5 RC橋式振蕩器PCB生產文件的輸出

Proteus支持的PCB生產文件格式較多。因國內的PCB生產文件以Gerber格式為主，本例介紹輸出PCB設計的Gerber文件。

單擊按鈕（生成CADCAM文件），或操作菜單“Output”→“”，彈出如圖1-24所示的“CADCAM（Gerber and Excellon）Output”對話框，輸入圖紙文件名、路徑，選中“Ouput to a single ZIP file”，其他各項保持默認值。單擊“OK”按鈕，則生成“RCZDQ-CADCAM.ZIP”文件（參看圖1-24左下方），可送制板廠制板。

1.3 實踐1：“數字電路彩燈裝置”的Proteus設計

1.3.1 實踐任務

設計一個數字電路彩燈裝置，每隔0.5s改變4個（紅、綠、黃、藍）LED發光管的顯示狀態。要求用Proteus完成電路設計、仿真、PCB設計和3D預覽。

該彩燈裝置的電路原理圖如圖1-25所示，它由元件555、電阻、電容等構成的時基電路和74LS161、LED發光管組成的顯示電路組成。其參考元件如表1-2所示。

1.3.2 實踐參考

1. 彩燈裝置的Proteus ISIS電路設計

在Proteus ISIS窗口中進行數字電路彩燈裝置（以下簡稱“彩燈裝置”）的電路設計。

（1）根據表1-2查找出相應元件，將元件一一放置在合適位置并調整好各元件位置。元件模型分為可仿真和不可仿真兩種，可參看圖1-9右上角相關說明，若說明為“No Simulator Model（非仿真模型）”，則為不可參與仿真的模型；其余說明為可參與仿真的模型。彩燈裝置元件中的前8種選用可參與仿真模型，二線接插件為非仿真模型，但ISIS已默認它不參加仿真。所以本設計可進行仿真。

（2）按圖1-25電路原理圖連接好線路，連接電源終端、輸入/輸出接插件等。

（3）按圖1-25電路原理圖對各對象要求設置好對象的屬性。因要求設計出PCB，所以在設置屬性時要特別注意“編輯元件”框的PCB Package（封裝）欄中是否有該元件的封裝。本設計中只有4個LED發光管目前尚未指定封裝，所以要在它們各自“編輯元件”框的PCB Package（封裝）欄中填上指定封裝名“LED”。

在ISIS中設計好的電路如圖1-26所示。

2. 彩燈裝置的Proteus仿真

單擊仿真啟動按鈕，進行電路仿真。仿真情況如圖1-26所示，每隔0.5s 4個彩燈顯示狀態更換一次。

3. 打開設計瀏覽器查看封裝等信息

Proteus ARES進行PCB設計前，還要單擊工具按鈕，彈出設計瀏覽器信息窗口，從中可得到電路元件的編號、名稱、值和封裝等信息，如圖1-27所示。元件若要參與PCB設計，必須有封裝，所以要注意有無封裝。若無封裝，則以高亮紅色顯示信息，可根據情況指定封裝設置。從圖1-27看出，本設計中參與PCB設計的元件都有封裝，可進入ARES進行PCB設計。

設計瀏覽器功能的詳細信息可參看第3章3.5節。

4. 彩燈裝置的Proteus ARES布局、布線

單擊ISIS窗口工具欄中的工具按鈕，自動生成網表并進入ARES設計窗口，可依次進行設置板界、布局、布線等操作。彩燈裝置的PCB布局、布線結果分別如圖1-28左圖、右圖所示。

5. 彩燈裝置的Proteus 3D視圖、裸板預覽

彩燈裝置的Proteus 3D視圖、裸板預覽分別如圖1-29左圖、右圖所示。