Proteus在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

侯向鋒,周兆豐

(1.湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石 435002；2.湖北師范學(xué)院 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖北 黃石 435002)

0 引言

《模擬電子技術(shù)》是電信類專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速普及，它也不斷成為幾乎所有理工科學(xué)生的必修課程。它既有自身的理論體系，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性。其目的和任務(wù)是讓學(xué)生獲得模擬電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究、應(yīng)用電子技術(shù)打下基礎(chǔ)。

《模擬電子技術(shù)》由于內(nèi)容抽象且與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系非常緊密，導(dǎo)致目前的教學(xué)模式受到各種條件的限制。在理論教學(xué)中，如果采用板書畫圖講解，費(fèi)時(shí)耗力，教學(xué)效率低；如果采用PPT講授，提高了教學(xué)效率，但是學(xué)生印象不深刻。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果采用分立器件，學(xué)生會(huì)把大部分時(shí)間浪費(fèi)在搭建電路上，幾乎沒有時(shí)間思考電路的設(shè)計(jì)，影響學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性；如果采用集成的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生很難在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，極大地限制了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。為了解決這些問題，很多任課老師在教學(xué)中引入了仿真軟件，取得了一定的效果。因此，將仿真技術(shù)應(yīng)用于《模擬電子技術(shù)》的教學(xué)中是一個(gè)值得研究的課題。

目前流行的仿真軟件有Multisim、SPICE、Quartus Ⅱ、Proteus等，并且都已應(yīng)用于電信類課程的教學(xué)中。其中Multisim主要應(yīng)用于電路分析課程中，SPICE主要應(yīng)用于模擬電子技術(shù)課程中，Quartus Ⅱ主要應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)課程中，Proteus主要應(yīng)用于單片機(jī)課程中。但是，這樣會(huì)使學(xué)生還沒有熟練掌握一款仿真軟件，就又要學(xué)習(xí)另一款仿真軟件，加重了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。仿真軟件Proteus已經(jīng)應(yīng)用到我院單片機(jī)課程中，有效地解決了單片機(jī)課程理論抽象難懂、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、理論與實(shí)踐脫鉤等問題。Proteus具有強(qiáng)大的功能，幾乎可以貫穿所有電信類專業(yè)核心課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)等。同時(shí)，可以讓學(xué)生在掌握一種仿真軟件后，能夠運(yùn)用于多門課程的學(xué)習(xí)中，減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)。根據(jù)我校的教學(xué)條件，本文探索仿真軟件Proteus在《模擬電子技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用。

1 軟件介紹

仿真軟件Proteus是一款來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件。該軟件主要用于電路分析與實(shí)物仿真以及印制電路板的設(shè)計(jì)，它可以仿真、分析各種模擬電路與集成電路，軟件提供了大量模擬與數(shù)字元器件及外部設(shè)備，各種虛擬儀器(如電壓表、電流表、示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等)，它具有對(duì)單片機(jī)及其外圍電路組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能。Proteus除了具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動(dòng)的。針對(duì)微處理器的應(yīng)用，它還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試。Proteus還組合了高級(jí)原理布圖、混合模式SPICE仿真,PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)[1]。Proteus能夠很容易地為用戶建立完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。

Proteus軟件的特點(diǎn)是：1)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能。2)支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3)提供軟件調(diào)試功能。在該軟件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。4)具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大[2]。

仿真軟件Proteus安裝后，主要由兩個(gè)程序組成：ARES和ISIS.前者主要用于PCB自動(dòng)或人工布線及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進(jìn)行相應(yīng)的仿真。除了上述基本應(yīng)用之處，Proteus可以直接實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地模擬按鍵、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時(shí)配合虛擬工具如過濾器、邏輯分析儀進(jìn)行相應(yīng)的測量和觀測[3]。仿真軟件Proteus非常適合教學(xué)，是一個(gè)巨大的教學(xué)資源，它不僅可以應(yīng)用到模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)等課程的教學(xué)中，而且可以應(yīng)用到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子競賽中。

2 理論教學(xué)

將仿真軟件Proteus應(yīng)用到《模擬電子技術(shù)》的理論教學(xué)中，就相當(dāng)于把實(shí)驗(yàn)室搬到了課堂上。這樣，任課老師可以在上課過程中把《模擬電子技術(shù)》中的基本的器件展示給同學(xué)們，還可以把基本電路的分析過程、分析結(jié)果、設(shè)計(jì)過程等一步步地演示給同學(xué)們。原來用語言不便描述的內(nèi)容就能直觀地展現(xiàn)出來，需要復(fù)雜演算才能得出的結(jié)論就能直接反映出來，增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性。課堂教學(xué)中采用Proteus，就省去了枯燥無味的理論推導(dǎo)，節(jié)約時(shí)間的同時(shí)，卻加深了學(xué)生對(duì)《模擬電子技術(shù)》理論內(nèi)容的理解，從而在教學(xué)中起到實(shí)質(zhì)性的突破。

在《模擬電子技術(shù)》的理論教學(xué)中引入Proteus，更有利于任課老師解決教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。在《模擬電子技術(shù)》的教學(xué)中，放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置和動(dòng)態(tài)參數(shù)的估算等既是教學(xué)重點(diǎn)也是教學(xué)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法總是讓學(xué)生只知道二極管、雙極結(jié)型三極管、場效應(yīng)管等這些器件名字及基本原理，但是學(xué)生不清楚有什么用，更不知道怎么用這些器件組成特定功能的模擬電路。但是借助于Proteus，就能讓學(xué)生很好地理解這些問題。

在放大電路中，靜態(tài)工作點(diǎn)是很重要的，它不但決定了放大電路是否會(huì)產(chǎn)生失真，而且還影響到電路的動(dòng)態(tài)性能，如電壓增益、輸入電阻等，所以在設(shè)計(jì)或調(diào)試放大電路時(shí)，為獲得較好的性能，必須首先設(shè)置一個(gè)合適且穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)[4]。下面以圖1中基本共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置為例進(jìn)行說明。

圖1 基本共射極放大電路

設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，其實(shí)就是通過外圍電路使雙極結(jié)型三極管Q1處于放大工作狀態(tài)。圖1中電源電壓VCC=10V，Q1的集電極靜態(tài)工作電流ICQ=1mA，那么只需確定電阻Rb和Rc的值。要想確定Rb和Rc的電阻值，必須首先知道Q1的β值。同一型號(hào)的兩個(gè)不同的雙極結(jié)型三極管的β值也不一定相同，而且這個(gè)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)上也只能給出一個(gè)范圍，比如雙極結(jié)型三極管2N3904的β值在30到300之間。那么怎么確定一個(gè)雙極結(jié)型三極管的β值呢？在傳統(tǒng)的上課方式中，很多學(xué)生學(xué)完了模擬電子技術(shù)都不知道怎么處理?，F(xiàn)在任課老師可以在仿真環(huán)境Proteus中進(jìn)行現(xiàn)場演示，給學(xué)生一個(gè)深刻的印象。通常采用基本共發(fā)射極放大電路確定雙極結(jié)型三極管的β值，如圖2所示。為了得到輸出電壓的最大動(dòng)態(tài)范圍，靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在交流負(fù)載線的中點(diǎn)，也就是說集電極靜態(tài)工作電壓VCQ=VCC/2=5V.所以VRC=Rc×ICQ=VCC/2=5V，Rc=5KΩ.然后調(diào)整Rb，借助于Proteus中的電壓測量探針和電流測量探針監(jiān)測Q1的基極電壓VBQ、基極電流IBQ、集電極電壓VCQ和集電極電流ICQ，使集電極電流ICQ基本為1mA，集電極電壓VCQ約為5V，仿真結(jié)果如圖3所示。雙極結(jié)型三極管的β值為此時(shí)的集電極電流ICQ與基極電流之比IBQ，即β=ICQ/IBQ=0.00100249/7.18126e-6≈140.最后就可以根據(jù)ICQ和β計(jì)算出Rb，即Rb=(VCC-VBE)/IBQ=(VCC-VBE)β/ICQ≈1.3MΩ.經(jīng)過分析，圖1電路中的參數(shù)都確定下來。最后，給設(shè)計(jì)好的放大電路提供一個(gè)峰值為6mV、頻率為1KHz的正弦信號(hào)，并用示波器觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形，演示結(jié)果如圖4所示。

圖2 β值測量電路 圖3 靜態(tài)工作點(diǎn)仿真結(jié)果

圖4 演示結(jié)果

課堂上，學(xué)生通過老師在仿真環(huán)境Proteus中的每一步操作以及演示結(jié)果，就能深刻理解放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的重要性，熟練掌握放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法。將仿真軟件引入《模擬電子技術(shù)》理論教學(xué)中，模擬電路、電路中各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓、關(guān)健支路的電流以及輸入信號(hào)、輸出信號(hào)的波形都能形象地展現(xiàn)在屏幕上，使學(xué)生有一個(gè)直觀的感覺。這不僅使抽象的理論簡單化、平面的電路立體化，而且使教學(xué)過程生動(dòng)化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶和理解。在《模擬電子技術(shù)》理論教學(xué)中引入Proteus，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，此外，還起到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的作用。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前，我校的《模擬電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課主要有兩種模式，一種是采用分立器件，另一種是采用模塊化的實(shí)驗(yàn)箱。前一種上課模式，學(xué)生整體感覺實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠用，收獲不大，因?yàn)樗麄儼汛蟛糠謺r(shí)間用到了連接電路上，卻沒有時(shí)間考慮如何設(shè)計(jì)電路；老師要忙著提供元器件，還要課外再給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境；元件損耗很大。后一種上課模式，學(xué)生雖然能很快做出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是很難搞懂電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一知半解，而且學(xué)生很難在課外時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

將仿真軟件Proteus應(yīng)用到《模擬電子技術(shù)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，解決了上面兩種教學(xué)模式的問題，打破了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間限制和空間限制。在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生就可以在自己的電腦上裝上仿真軟件Proteus進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，以提高實(shí)驗(yàn)課上的效率和降低元件、儀器等的損耗。實(shí)驗(yàn)課后，不太理解的地方，學(xué)生也可以通過仿真來進(jìn)一步進(jìn)行操作?？傊灰幸慌_(tái)電腦，學(xué)生就可以隨時(shí)在自己的電腦上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

除了基本的實(shí)驗(yàn)外，老師可以布置一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目，比如設(shè)計(jì)正弦信號(hào)發(fā)生器、串聯(lián)反饋式直流穩(wěn)壓電源。在經(jīng)濟(jì)上不需要額外投入的情況下，學(xué)生就可以根據(jù)知識(shí)的掌握程度自選設(shè)計(jì)題目，在Proteus環(huán)境中進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。等仿真設(shè)計(jì)成功后，再購買或領(lǐng)取元器件、焊接電路、調(diào)試電路等。

此外，老師還可以指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用Proteus仿真軟件開展課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的能力。總之，仿真軟件Proteus應(yīng)用到在《模擬電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是可行的，可以達(dá)到良好的教學(xué)效果。它克服了目前實(shí)驗(yàn)中元件損耗大、實(shí)驗(yàn)箱中硬件電路固定、學(xué)生不能更改、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定等方面的局限性，可以擴(kuò)展學(xué)生的思路和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生解決實(shí)踐工程問題的能力。

4 結(jié)束語

《模擬電子技術(shù)》的理論教學(xué)中采用仿真軟件Proteus，任課老師可以在課堂上模擬實(shí)際電路的設(shè)計(jì)與搭建過程，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，有助于學(xué)生有效的掌握所學(xué)知識(shí)，縮短從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過程。

《模擬電子技術(shù)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用仿真軟件Proteus，起到了很好的輔助作用，既能解決元器件、儀器短缺的問題，又可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力及技能，提高學(xué)習(xí)效率。但是仿真軟件Proteus畢竟建立的只是一個(gè)虛擬環(huán)境，虛擬與現(xiàn)實(shí)還是有距離的，只能作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充。

實(shí)踐證明，把Proteus應(yīng)用到《模擬電子技術(shù)》的教學(xué)中，充分利用了當(dāng)今新的教學(xué)資源和教學(xué)手段，不加重學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，讓理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)找到新的結(jié)合點(diǎn)，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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