基于Proteus仿真的模擬電子技術(shù)課程教學(xué)改革

李立禮,梁明華,李生華

(賀州學(xué)院 物理與電子信息工程系,廣西 賀州 542800)

基于Proteus仿真的模擬電子技術(shù)課程教學(xué)改革

李立禮,梁明華,李生華

(賀州學(xué)院 物理與電子信息工程系,廣西 賀州 542800)

針對《模擬電子技術(shù)》課程教學(xué)效果普遍不好的問題,提出通過仿真技術(shù)輔助教學(xué)的思路。文章介紹了EDA仿真軟件Proteus的特點(diǎn)與功能,并通過教學(xué)實(shí)例,利用Proteus輔助課程的理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課程設(shè)計(jì),表明用EDA輔助教學(xué)能改善教學(xué)手段,豐富教學(xué)內(nèi)容,提高教學(xué)質(zhì)量。

模擬電子技術(shù);Proteus;仿真

1 引 言

《模擬電子技術(shù)》是電子、控制與機(jī)電等專業(yè)的主干課程,該課程教學(xué)效果的好壞,直接影響到學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。長期以來,該課程理論教學(xué)方法枯燥,實(shí)驗(yàn)教學(xué)可操作性差,課程設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新,導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生對電路理論理解不清,實(shí)驗(yàn)走過場,課程設(shè)計(jì)找槍手。由于學(xué)生對這門課程學(xué)習(xí)不好,導(dǎo)致很多學(xué)生由最初對專業(yè)的滿腔熱情變得失去興趣,繼而荒廢學(xué)業(yè)。筆者將仿真軟件Proteus應(yīng)用于《模擬電子技術(shù)》課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)中,借助多媒體展示生動形象的電路仿真,提高學(xué)生對電路的感性認(rèn)識,加深學(xué)生對理論知識的理解,開拓學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間,大大提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

2 Proteus介紹

Proteus[1,2]是英國Labcenter公司研發(fā)的多功能EDA軟件,是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺,具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)系統(tǒng)等的仿真功能;提供有豐富多樣的虛擬信號發(fā)生器與調(diào)試測量工具,是一種可視化、全開放的仿真實(shí)驗(yàn)平臺;所提供的幾千種元件模型中大多數(shù)模型與標(biāo)準(zhǔn)的SPICE模型相兼容,仿真結(jié)果與實(shí)際非常接近;具有強(qiáng)大的電路圖繪制與PCB板設(shè)計(jì)功能,可方便實(shí)現(xiàn)電路從原理圖到仿真最后到PCB設(shè)計(jì)的全過程。開發(fā)效率高、周期短、成本低,在工程設(shè)計(jì)和電類教學(xué)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 Proteus在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 Proteus在理論教學(xué)中的應(yīng)用

《模擬電子技術(shù)》的理論教學(xué)令許多任課老師為難,原因在于該門課程的理論知識抽象,概念多,工程實(shí)踐性強(qiáng)。在教學(xué)過程中,一方面要考慮電路的理論知識,另一方面還要考慮電路的具體結(jié)構(gòu)以及電路信號的特點(diǎn)等因素[3]。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,如果缺少某一方面的知識,就很難對電路有全面的理解。由于教學(xué)手段及課時(shí)的限制,傳統(tǒng)的教學(xué)重點(diǎn)只能放在電路原理的介紹上,實(shí)際的應(yīng)用是紙上談兵,因而激發(fā)不起學(xué)生的興趣,達(dá)不到理想的教學(xué)效果。將Proteus仿真技術(shù)引人教學(xué),老師可以通過多媒體展示電路的仿真,形象地講解電路理論及原理,使學(xué)生清晰觀察到電路運(yùn)行的現(xiàn)象、信號波形以及各種參數(shù)曲線,從感性上加深對電路原理與性能的理解,直觀地掌握教學(xué)內(nèi)容,提高教學(xué)的效果與效率[4]P54-55。

放大電路性能的分析是《模擬電子技術(shù)》很重要的內(nèi)容,也是教學(xué)的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難解釋放大器靜態(tài)工作點(diǎn)對電路的影響,學(xué)生對電路的放大、輸入輸出電阻、頻率特性、信號的相位關(guān)系以及信號的失真都會覺得很抽象,難以理解。如果用Proteus搭建原理圖(1),進(jìn)行仿真運(yùn)行,學(xué)生就能夠通過多媒體屏幕形象地觀察到改變輸入信號的幅值與頻率,輸出信號的變化情況,進(jìn)而感性地理解電路的放大作用,電路的頻率特性,以及輸入輸出信號的相位關(guān)系等等;通過調(diào)節(jié)RV1的大小,改變放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn),學(xué)生就能通過虛擬示波器觀察到偏置工作點(diǎn)對放大電路性能的影響,如圖(2)所示;通過開關(guān)SW1,還能觀察到負(fù)反饋對放大器性能的影響。顯然,通過Proteus虛擬仿真,學(xué)生能形象地學(xué)習(xí)放大器抽象的性能指標(biāo),深入理解放大器的工作原理,為分析復(fù)雜電路打下基礎(chǔ)。

3.2 Proteus在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)是《模擬電子技術(shù)》教學(xué)中不可缺少的內(nèi)容,是理論聯(lián)系實(shí)踐,培養(yǎng)創(chuàng)新型,實(shí)用型與能力型人才的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生是在固定的實(shí)驗(yàn)場所,指定的儀器設(shè)備與規(guī)定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間完成某一實(shí)驗(yàn),由于受實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間等硬件條件的限制,實(shí)驗(yàn)開設(shè)單一,規(guī)模小,數(shù)量少,并且只能做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。不利于培養(yǎng)學(xué)生的研究能力與創(chuàng)新能力。Proteus仿真軟件能給學(xué)生在計(jì)算機(jī)上虛擬出設(shè)備先進(jìn)、元器件齊備的實(shí)驗(yàn)平臺,克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室各種條件的限制,突出以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間,豐富學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,能更好培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力[5]P30-34。

在利用555芯片制作多諧振蕩器的實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是利用示波器觀察振蕩器輸出信號,由于受到干擾影響,學(xué)生很難觀察到完好的波形,更難以確定信號的頻率。引入Proteus后,可搭建如圖(3)所示電路,并運(yùn)行仿真。通過虛擬示波器觀察引腳2和引腳3的波形,改變電阻RV1,RV2和電容C3的參數(shù),可以看到多諧振蕩器的頻率隨著改變;同時(shí)可以觀察到RV1除影響頻率外,還決定著輸出波形負(fù)脈沖的寬度;電容C3的值不影響輸出波形的占空比。經(jīng)過課堂演示或?qū)W生親手用Proteus設(shè)計(jì)與仿真,學(xué)生對起振條件、振蕩頻率、振蕩過程等重點(diǎn)難點(diǎn)從理論、實(shí)踐的高度得到了解決。利用Proteus軟件,還可以很容易地在該電路的基礎(chǔ)上改造成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器,并可進(jìn)行仿真。這樣的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軜O大地提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解,可操作強(qiáng),同時(shí)能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效率。

3.3 Proteus在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

課程設(shè)計(jì)是模擬電子技術(shù)的必修課程,是鍛煉學(xué)生的焊接技術(shù)和調(diào)試電路的能力,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識分析和解決實(shí)際問題的重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)教學(xué)中,課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果往往不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。問題在于學(xué)生調(diào)試電路的過程比他們想象的復(fù)雜,并且制作電路的效果不明顯。

功率放大器是模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的題目,傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)一般過程是學(xué)生先畫出電路原理圖,制作PCB板,然后組裝元器件,最后進(jìn)行調(diào)試。由于多數(shù)學(xué)生對實(shí)際元器件特性不了解,設(shè)計(jì)的電路難免存在各種各樣的問題,因此給調(diào)試過程帶來很大麻煩,又容易造成元器件的損壞和浪費(fèi),使設(shè)計(jì)的要求和指標(biāo)不得不降低,課程設(shè)計(jì)效果不理想。引人Proteus仿真軟件后,學(xué)生可先在軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試,電路設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤能提早發(fā)現(xiàn),避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi),提高設(shè)計(jì)的一次成功率,激發(fā)學(xué)生的興趣,更好地發(fā)揮學(xué)生主觀能動性,使課程設(shè)計(jì)不再高不可攀。

利用Proteus軟件設(shè)計(jì)功率放大電路,畫出原理圖(5),仿真運(yùn)行。先通過RV1調(diào)節(jié)合適的電路工作點(diǎn),改善信號波形,再調(diào)節(jié)RV2排除交越失真,最后測量出放大器的頻率特性與輸出功率等。通過仿真調(diào)試,能在原理圖上判斷實(shí)際功能放大器的性能指標(biāo),為最后完成課程設(shè)計(jì)提供了保證,極大提高了課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量與成功率,也提高學(xué)生學(xué)習(xí)與動手實(shí)踐的興趣。

圖(5)功率放大器仿真圖

4 結(jié) 論

將Proteus仿真軟件應(yīng)用到模擬電子技術(shù)的課程教學(xué)上,通過直觀形象的仿真演示,可以幫助學(xué)生更深刻和全面地理解電子電路的基本概念和原理,方便地進(jìn)行電路的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試,提高課程設(shè)計(jì)的成功率。同時(shí)給學(xué)生研究問題提供了有效的手段,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,對《模擬電子技術(shù)》及相關(guān)電類課程的教學(xué)具有很好的輔助作用。

[1]朱清慧,張鳳蕊,翟天嵩等.Proteus教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[2]張靖武,周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3]王淑娟,蔡惟錚,齊 明.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M],北京:高等教育出版社,2009.

[4]田建艷,夏露易.EDA支持下的電子技術(shù)教學(xué)實(shí)踐[J].教育理論與實(shí)踐,2005(6).

[5]深圳風(fēng)標(biāo)科技有限公司,PROTEUS在電類教學(xué)與科研中的應(yīng)用[C].研討會專刊,2006.

Teaching Reform of Analogue Electronic Technology Based on Proteus Simulation

Li Lili,Liang Minghua,Li Shenghua

(Department of Physics and Electronic Information Engineering,Hezhou University,Hezhou,Guangxi 542800,China)

Because of poor effectiveness generally in”analogue electronic technology”teaching,the teaching method based on simulation is proposed.The EDA simulation software features and functions of Proteus are introduced in the paper,and by teaching examples,using Proteus in the theory teaching,practice teaching and curriculum design,show that the EDA can improve teaching methods,teaching content and improve teaching quality.

analogue electronic technology;Proteus;simulation

TN710

A

1673-8861(2010)02-0101-03

2010-03-15

李立禮(1971-),男,廣西藤縣人,碩士,講師。主要研究方向:智能控制,電子技術(shù)應(yīng)用。

本文是廣西教育廳新世紀(jì)教改工程“十一五”課題(項(xiàng)目編號:2009C086)研究成果之一。