Proteus在電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

陳 燕,楊永雙 (鄭州輕工業(yè)學(xué)院計算機與通信工程學(xué)院,河南鄭州450002)

目前應(yīng)用于電子類課程的仿真軟件有很多,如Multisim、Pspice、Max+plus、Proteus等。Pspice主要用于模擬電路的仿真。Multisim功能強大,提供了數(shù)千種電路元件和十幾種常用的電子儀器,可以進行模擬電路和數(shù)字電路的仿真,但不支持軟硬件協(xié)同聯(lián)調(diào)。Max+plus只適用于復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字電路的設(shè)計。Proteus是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件,功能非常強大,可以同時滿足多門課程的仿真需求。為此,筆者分析了Protues在 《電路分析》、《數(shù)字電路》、《模擬電路》和 《單片機》課程中的應(yīng)用情況。

1 Proteus仿真軟件的特點

Proteus仿真與開發(fā)平臺是由英國Labcenter公司開發(fā)的一款電路分析實物仿真系統(tǒng),其可以仿真各種模擬器件和集成電路。Proteus具有強大的元件庫,包括了電阻、電容、二極管、晶體管、TTL系列、CMOS4000系列、存儲器、微處理器等常用的電路元器件。Proteus具有各種虛擬儀器,如示波器、信號發(fā)生器、電壓表、邏輯分析儀等。Proteus支持第三方軟件的編譯和調(diào)試環(huán)境。此外,Protues還支持電路仿真模式VSM,當(dāng)運行仿真電路時,可實現(xiàn)聲、光等逼真效果,非常直觀地檢驗電路硬件及軟件設(shè)計狀況[1]。

2 Proteus在電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 Proteus在 《電路分析》課程中的應(yīng)用

圖1 一階RC電路圖

《電路分析》課程中的概念多、分析計算多,較多的理論講授和數(shù)學(xué)推導(dǎo)很難引起學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。Proteus中具有常見的電路元器件,如交直流信號發(fā)生器、交流電壓表、交流電流表、直流電壓表、直流電流表、示波器等,這些電路元器件完全可以滿足 《電路分析》課程仿真實驗的需要。將Proteus應(yīng)用于 《電路分析》課程中,可以增強學(xué)生對電路的感性認識,加深學(xué)生對電路基本定理的理解,學(xué)會電路分析的基本方法,使枯燥無味的理論教學(xué)變得直觀生動。例如,一階動態(tài)電路的分析是 《電路分析》課程中的一個難點,理論的推導(dǎo)枯燥且不直觀。在分析電路之前,通過Proteus仿真演示可以顯示一階電路的響應(yīng)過程,使學(xué)生獲得直觀的了解。在Proteus仿真環(huán)境中繪制一階RC電路圖 (圖1),開關(guān)處于打開狀態(tài),然后仿真電路。首先從示波器中 (圖2)可以看到電容上的電壓為0,這是電容電壓的初始值。當(dāng)開關(guān)閉合時,由于電容兩端的電壓不能突變,電容電壓仍為0,然后電容通過R1充電,電路中產(chǎn)生零狀態(tài)響應(yīng),電容兩端的電壓逐漸升高,經(jīng)過一定時間后,電路達到穩(wěn)定狀態(tài),電容兩端的電壓為電源電壓5V,電容存儲能量。當(dāng)開關(guān)打開時,電容通過R2放電,電路中產(chǎn)生零輸入響應(yīng),電容兩端的電壓逐漸降低,電容釋放能量。從仿真過程中學(xué)生除了可以了解到一階動態(tài)電路的初始值、穩(wěn)態(tài)值、時間常數(shù)、零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)等概念,還可以加深對 “電容兩端電壓不能突變”的理解。

2.2 Proteus在 《模擬電路》課程中的應(yīng)用

《模擬電路》課程的實踐性強,與工程實際聯(lián)系緊密,是電子類專業(yè)的主要課程之一。模擬電路主要研究以非線性元件二極管和三極管為核心的電路,由于電路中交直流并存,電路分析非常復(fù)雜,因此學(xué)生很難理解。Proteus軟件的庫元件中具有多種三極管和二極管,僅二極管就包括普通二極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、整流橋等。另外庫元件中還有模擬電路中常用的集成運放。在Proteus軟件中可以搭建各種電路,通過測試各點電壓、電流和波形等方法進行電路的分析和測量。這不僅提高了教學(xué)效率,還能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)一些常見的電路調(diào)試方法,提高學(xué)生實際動手能力。以單管放大電路的分析為例介紹Proteus在 《模擬電路》中的應(yīng)用。在Proteus中繪制單管分壓偏置放大電路圖 (圖3),調(diào)整與晶體管基極相連的電阻RW,從示波器中可以看到輸出的波形發(fā)生了變化,測量三極管的基極和集電極電位的交流電壓表的值也發(fā)生了變化。若進一步調(diào)整RW,示波器中的波形還會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。因此,通過仿真實驗使學(xué)生了解放大電路的調(diào)試方法,即調(diào)節(jié)與三極管基極相連的電阻RW 可以改變晶體管的靜態(tài)工作點,而靜態(tài)工作點的改變影響了放大倍數(shù)和輸出波形的形狀,從而使學(xué)生進一步理解放大電路的放大和不失真這兩個最基本要求。

圖3 單管分壓偏置放大電路圖

2.3 Proteus在 《數(shù)字電路》課程中的應(yīng)用

圖4 三位二進制編碼器

數(shù)字電路不同于模擬電路,其以數(shù)字信號為處理對象,研究各輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系。Proteus軟件中除了有數(shù)字電路中常用的CMOS4000系列器件、TTL74系列器件、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、可編程邏輯器件外,還有常用的數(shù)字電路分析和調(diào)試工具,如邏輯分析儀、邏輯探針等。使用Proteus進行數(shù)字電路仿真,可使理論知識形象化,有助于學(xué)生對電路器件原理的理解和記憶。另外Proteus也可以進行模數(shù)混合仿真。以編碼器為例說明Proteus在 《數(shù)字電路》課程中的應(yīng)用。在Proteus上可以形象地演示編碼器的邏輯功能。對8路輸入信號進行編碼的電路圖如圖4所示。當(dāng)改變一個輸入信號時,通過發(fā)光二極管的顯示可以看出編碼的輸出。例如當(dāng)?shù)?路信號為低電平時,輸出編碼結(jié)果為010。當(dāng)同時改變多路輸入信號,如第3、4、5路信號都為低電平時,輸出編碼結(jié)果為111,編碼結(jié)果出現(xiàn)了錯誤,由此可以引出優(yōu)先編碼器的功能。

2.4 Proteus在 《單片機》課程中的應(yīng)用

圖5 矩陣式鍵盤識別電路圖

《單片機》是一門將硬件和軟件相結(jié)合的課程。該課程理論知識繁雜、概念抽象,學(xué)生難以記憶和理解。另外該課程實踐環(huán)節(jié)多,硬件投入較大,要求學(xué)生的動手能力強。在Proteus中可以直接與keil編程軟件進行聯(lián)調(diào),因此將Proteus和keil相結(jié)合,就可以搭建相應(yīng)的單片機開發(fā)平臺。Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具,它不僅可以觀察單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變,還可以在程序調(diào)試時,綜合運用Keil中的多種調(diào)試功能來詳細觀察電路的工作情況,直接看到硬件電路工作的結(jié)果,了解所編程序的對錯,極大方便了單片機軟硬件協(xié)同調(diào)試[2]。

Proteus支持主流單片機系統(tǒng)的仿真,元件庫包含了68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列等單片機型號以及各種外圍芯片。除此之外,Proteus還提供虛擬終端、SPI調(diào)試器、2C調(diào)試器和SPI調(diào)試器,以用于單片機系統(tǒng)的仿真和調(diào)試。以矩陣式鍵盤識別為例介紹Proteus在 《單片機》課程中的應(yīng)用。在keil環(huán)境中單步執(zhí)行程序,可以看到每執(zhí)行一條指令時硬件電路的運行情況。當(dāng)按下某一按鍵時,可以在程序中看到鍵碼的計算過程和數(shù)碼管顯示過程的每一步驟執(zhí)行結(jié)果。通過keil和Proteus聯(lián)調(diào),可以很方便地檢驗程序編寫和硬件設(shè)計的對錯。從該實驗中學(xué)生可以了解鍵盤的防抖動處理、鍵碼識別技術(shù)、數(shù)碼管顯示原理以及常用的單片機系統(tǒng)調(diào)試方法。

3 結(jié) 語

Proteus將枯燥復(fù)雜的理論分析圖形化,解決了傳統(tǒng)教學(xué)中的授課難點,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時Proteus可以作為學(xué)生的仿真實驗平臺,在課堂外進行接近于實際電路的分析和調(diào)試,從而加深對理論知識的理解,進一步培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。因此,通過Proteus仿真軟件建立的虛擬實驗平臺對高等學(xué)校電子類課程的教學(xué)有十分重要的作用。

[1]周潤景,張麗娜,劉印群.PROTEUS入門實用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2]張毅剛,彭喜元.《單片機》原理及接口技術(shù) [M].北京:人民郵電出版社,2008.