PROTEUS在電工與電子技術(shù)教學中的應用

【摘要】Proteus軟件元件庫中包含的元器件非常豐富，應用涵蓋了軟件部分的匯編、C語言的調(diào)試，可以輔助電子類如單片機、數(shù)字電路、電子電路等多種科目教學。本文研究并舉例說明了該軟件在電工電子實驗教學中的應用，闡述了使用該軟件進行實驗教學具有系統(tǒng)資源豐富、硬件投入少、工程實踐最為接近和學生綜合能力得到提高等優(yōu)點。實踐證明，該軟件廣泛加以應用，可以提高實驗質(zhì)量，通過理論與仿真驗證相結(jié)合，可以克服傳統(tǒng)教學中的不足。

【關(guān)鍵詞】Proteus軟件 傳統(tǒng)教學 電工電子實驗 仿真

【中圖分類號】F407.6【文獻標識碼】A【文章編號】1673-8209(2009)12-00-02

職業(yè)學校在電子專業(yè)各科目的教學過程中，理論知識和動手操作的課程量各占一半，甚至在一些課程上實踐時間比理論學習時間還要多。學生的實踐動手能力是培養(yǎng)的最重要的方向，電子專業(yè)的教學更是重視學生動手能力的培養(yǎng)，否則很難將此專業(yè)學精。為更好的培養(yǎng)學生的技能，我們學校會在每學期計劃申購下學期各科目實操所用元器件和相應的工具，以備學生下學期實操動手做出實物，這是一筆不小的經(jīng)費負擔，往往一部分學生不能一次制作成功，造成很大的浪費。而且在現(xiàn)實教學中，某些教學實驗儀器設備購買時比較昂貴，購買后使用過程中需要實驗員老師花費大量的時間和精力去維護以供教學正常進行，工作量非常大，效果也不是很理想，通常是壞的比修好的快。另外根據(jù)多年實驗教學的經(jīng)驗來看，學生在實驗室做實驗，大都只是簡單的重復教師介紹的實驗步驟，驗證預知的實驗結(jié)果，對于理論原理理解不透，另有些學生在實驗前根本沒好好理解實驗內(nèi)容，做實驗時手忙腳亂，很難達到實驗的目的。Proteus 所提供的儀表， 種類繁多性能可靠，可以避免有些真實實驗的危險性問題，調(diào)動學生實驗的主觀能動性和積極創(chuàng)造性，使得整個教學很靈活，同時可以在模擬實驗后結(jié)合進行真實實驗的方法，即先模擬調(diào)試選擇各元件參數(shù)，再實際操作，來減少真實實驗過程對儀器設備造成損壞，對元器件減少浪費。Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試，這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號，可以貫穿于電工電子技術(shù)教學的各個環(huán)節(jié)，借以進行仿真能夠取得很好的教學效果，應用于教學實驗中，優(yōu)勢明顯可見。

1 Proteus軟件簡介

Proteus是英國Labcenter electronics公司研發(fā)的電子電路與實物仿真軟件，應用范圍十分廣泛，涉及PCB 制版、Spice電路仿真、單片機仿真以及對ARM7/LPC21XX 的仿真。Proteus主要由ARES和ISIS兩大模塊構(gòu)成，ARES主要用于印刷電(PCB)的設計及其電路仿真，ISIS主要用于原理圖的設計并仿真:包含有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機仿真。Proteus軟件所提供了30多個元件庫，數(shù)千種元件，元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。

2 基于Proteus仿真平臺的電工電子實驗教學

教育技術(shù)的現(xiàn)代化和信息化給教育帶來了機遇與挑戰(zhàn)，特別是對教師的專業(yè)知識、能力結(jié)構(gòu)和所采取的教學手段提出了新的要求。在教學上虛擬實驗采用局域網(wǎng)多媒體教學，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)教師機對學生機同步演示電路圖并講解其原理，學生根據(jù)電路原理圖在虛擬實驗系統(tǒng)提供的元件庫中找到相應的虛擬元件完成整個實驗教學。

我們在電工與電子技術(shù)的教學中經(jīng)常會假設某個元器件發(fā)生短路、斷路等故障，而這些假設由于各種原因不太好做實驗，教師只有通過純理論分析來講授。如使用Proteus軟件，這個難題就非常好解決，我們可以利用Proteus中提供的元器件故障設置功能將元器件設置好故障，再連接相關(guān)的儀器，進行電路仿真后就可以看到元器件發(fā)生故障時的現(xiàn)象，還可以從儀器上讀出所需要的各個參數(shù)。電工電子教學中的大部分實驗均可用Proteus仿真。如基爾霍夫定律的驗證、疊加原理等等。

現(xiàn)以電工與電子技術(shù)教學過程幾個基本內(nèi)容對Proteus的應用進行具體分析。

2.1 基爾霍夫定律的驗證

a):KCL:即基爾霍夫第一定律，也叫節(jié)點電流定律。

i. 基爾霍夫第一定律內(nèi)容:指流入一個節(jié)點的電流之和恒等于流出這個節(jié)點的電流之和。即:∑I入=∑I出

ii.根據(jù)具體教學內(nèi)容，以理論為依據(jù)結(jié)合實際電路，將電路原理圖組織成仿真虛擬實驗電路圖，調(diào)整各元件的參數(shù)，連接必要的實驗儀器。

iii.分析數(shù)據(jù)

圖1中，對于節(jié)點d來講I1，I3是流入的電流，I2是流出的電流。

I1=2.05A;I2=3.86A;I3=1.82A

∑I入= I1+I3=2.05A+1.82A≈∑I出= I2=3.86A

驗證了基爾霍夫第一定律。

b):KVL:即基爾霍夫第二定律，也叫回路電壓定律。

(1)基爾霍夫第二定律內(nèi)容:指對任一閉合回路，各段電壓的代數(shù)和為零。即:

∑U=0

(2)分析數(shù)據(jù)

圖1中，對于回路adba來講，∑U=UR1-UR3-U1=12.3V-7.27V-5V≈0V;對于回路dcbd來講，∑U=UR2-U2+UR3=7.73V-15.0V+7.27V=0V，驗證了基爾霍夫第二定律。

2.2 單相半波整流電路仿真測試

通過Proteus軟件仿真，用其中的示波器器件觀察波形可以看出，單相半波整流電路輸入電壓ui是雙極性，而輸出電壓ud是單極性，且是半波波形，輸出電壓幅度與輸入電壓的幅值基本相等，仿真了單相半波整流電路的工作特性。

2.3 放大電路中靜態(tài)工作點設置意義的研究

減小基極電阻時，通過Proteus軟件中的示波器器件觀察波形，集電極電流波形出現(xiàn)正向削波，說明晶體管出現(xiàn)了飽和失真;增大基極電阻時，集電極電流波形出現(xiàn)反向削波，說明晶體管出現(xiàn)了截止失真;調(diào)節(jié)基極電阻到合適大小時，集電極電流波形無失真輸出，說明此時晶體管靜態(tài)工作點設置合適。

3 Proteus仿真在電工與電子技術(shù)教學中的優(yōu)勢與不足分析

通過本文實例分析可以看出，Proteus直觀的電路圖和仿真分析結(jié)果的顯示形式非常適合于實驗教學環(huán)節(jié)，是電工與電子技術(shù)教學的輔助手段，恰當?shù)膽?，可以培養(yǎng)學生對知識的廣泛興趣，激發(fā)他們的創(chuàng)造性。幫助學生掌握電工與電子技術(shù)教學的基礎知識、基本理論、基本分析和設計方法，為學習后續(xù)課程提供必要的理論基礎知識和實踐技能。與傳統(tǒng)實驗方式相比，更能突出實驗教學中以學生為中心的開放式實驗教學模式。Proteus對電工與電子電路的仿真屬于理想狀況，并不能完全代替電工與電子的實驗室實驗。

作者簡介

尤新芳，女，(1982—)，籍貫:河南省駐馬店，武漢大學軟件工程碩士學位，現(xiàn)任中山市高級技工學校電子專業(yè)教師，助理講師。