Proteus仿真軟件在電工學中的應用

陳知紅， 王錦蘭

(湖北工程學院 物理與電子信息工程學院， 湖北 孝感 432000)

電工學是一門非電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，它的主要任務(wù)是為學生學習專業(yè)知識和從事工程技術(shù)工作打好電工技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并使他們受到必要的基本技能訓練[1-2]。電工學課程內(nèi)容覆蓋面大、信息量廣，教學內(nèi)容涉及電工電子學科的各個方面，電工電子技術(shù)的發(fā)展，新知識、新技術(shù)、新器件的不斷涌現(xiàn)、學時少與內(nèi)容多的矛盾日益成為許多電工類課程教師必須面對的問題[3-4]。

目前本校電工學課程選用的教材是秦曾煌主編的《電工學》第7版，采用高等教育出版社和高等教育音像出版社聯(lián)合出版的《電工學》配套的教學課件，其中包括電工技術(shù)、電子技術(shù)、電機學、電力電子技術(shù)和可編程控制器等方面的知識。雖然內(nèi)容要求不深，但知識面廣、信息量大，在有限的學時內(nèi)用傳統(tǒng)的多媒體授課方法教學效果很不理想，學生感覺抽象、枯燥、概念多。針對不同專業(yè)和層次學生要激發(fā)他們的學習興趣，培養(yǎng)他們自主學習和實際動手能力，就必須從教學內(nèi)容、教學方法和教學手段上入手。為此，在改革教學內(nèi)容和教學方法的同時，在理論課堂上引入Proteus仿真教學手段，不僅增加學生的感性認識，幫助學生理解枯燥的理論內(nèi)容，而且還可以在很大程度上解決某些因設(shè)備不足或危險性較大(比如強電實驗)難以實現(xiàn)的實驗內(nèi)容[5-8]。

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺由英國Labcenter公司開發(fā)(授權(quán)風標科技公司為中國大陸的總代理)，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。Proteus可以實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和PCB設(shè)計等全部功能[9]。目前用于電路仿真的EDA軟件主要有Pspice、Multisim、Protel、Matlab和Proteus等，它們都具有各自的特點，而Proteus軟件融合了Multisim、Protel等軟件電路仿真的全部功能之外，還具有領(lǐng)先一步的全系列單片機協(xié)同仿真功能[9-15]。因此可以為學習后續(xù)課程——單片機和ARM打下一定基礎(chǔ)。本文主要介紹Proteus仿真軟件在“電工學”課程輔助教學中的應用。

1 Proteus軟件在電工技術(shù)中的應用

分析與計算電路的基本定律除了歐姆定律外，還有基爾霍夫電流定律(KCL)和電壓定律(KVL)?；鶢柣舴螂娏鞫蓱糜诮Y(jié)點，電壓定律應用于回路[1]。

KCL是描述電路中與節(jié)點相連的各支路電流間相互關(guān)系的定律，它的基本內(nèi)容是：對于集總參數(shù)中的任意節(jié)點，在任意時刻，流出和流入該節(jié)點電流的代數(shù)和等于零。事實上KCL不僅適用于電路中的結(jié)點，也可以把它推廣應用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。下面以驗證基爾霍夫定律KCL為例介紹Proteus軟件的應用。KCL電路舉例如圖1所示。

圖1 KCL電路舉例

由圖1可知：I1=I3+I2，I1=0.4 A，I2=-0.6 A,I3=1 A。I2是負值，說明實際電路方向與參考方向相反，即是電流流進結(jié)點。通過這種直觀的形式，解除學生理解電流方向的困擾。

KVL是用來確定回路中各段電壓間關(guān)系的。若從回路中任意一點出發(fā)，以順時針或逆時針方向沿回路循行1周，則在這個方向上的電位降之和應該等于電位升之和，當回到原來的出發(fā)點時，該點的電位是不會發(fā)生變化的，并且對于電路中任一假想的回路KVL也是成立的[1]。以驗證基爾霍夫定律KVL為例，其仿真電路如圖2所示。由圖2可知：U1=8 V，U2=3 V，U3=6 V，回路U1+U2+U5-U4=8+(-3)+9+(-14)=0，仿真驗證了KVL定律。

圖2 KVL電路舉例

從上面的分析可看出：各結(jié)點的電流和各元件的電壓都滿足代數(shù)和的關(guān)系，從仿真實驗的角度驗證了基爾霍夫定律定理，由此加深了學生對知識點的理解和掌握。

2 Proteus軟件在模擬電子技術(shù)中的應用

放大電路是模擬電子技術(shù)課程的核心。晶體三極管放大電路的靜態(tài)工作點分析和動態(tài)性能的研究在電子技術(shù)中是一個重點內(nèi)容，尤其是動態(tài)性能分析的是小信號的放大，在實際中應用十分廣泛[2,16]。利用Proteus軟件對單管共射放大電路進行仿真(三極管型號為2N5551)可以使學生更加直觀地理解信號的放大關(guān)系，以及靜態(tài)工作點設(shè)置不合適引起的失真。電路如圖3所示。

圖3 單管共射放大電路

為了獲得最大不失真的輸出電壓，靜態(tài)工作點應選在輸出特性曲線上交流負載線的中點。在調(diào)試中把信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波頻率調(diào)為1 kHz，幅值盡可能大，直到觀察到示波器顯示的輸出波形出現(xiàn)雙頂失真為止，若這個失真的波形是上下對稱的，則保持電位器RP的位置不改變；若不對稱，改變圖3中電位器RP的阻值，使波形對稱，這時的靜態(tài)工作點才能保證最大不失真的輸出電壓。上述操作的主要目的是尋找放大電路的靜態(tài)工作點Q，接下來就可以用電壓表和電流表去測量靜態(tài)工作點的參數(shù)了。在調(diào)試過程中，Q點一定要選擇合適,否則就會出現(xiàn)失真。圖4為最大不失真電壓輸出時輸出與輸入的波形。圖5為截止失真波形，由于RP阻值過大，使Q點上升而導致的截止失真。圖6為飽和失真波形，由于RP阻值過小，使Q點下降而導致的飽和失真。在課程上進行這樣形象的仿真演示，調(diào)動了學生的積極性，活躍了課堂氣氛。

圖4 最大不失真電壓輸出時輸出與輸入波形

圖5 截止失真波形

圖6 飽和失真波形

3 Proteus軟件在數(shù)字電子技術(shù)中的應用

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容包括邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖波形產(chǎn)生和變換電路、存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器[2,16]。下面以綜合性課題秒表為例，介紹Proteus軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學中的應用。圖7為秒表在Proteus中在線仿真顯示的結(jié)果。

圖7 秒表仿真電路

利用74LS390構(gòu)成60進制加計數(shù)器，74LS48為顯示譯碼驅(qū)動芯片，2片共陰型數(shù)碼管由74LS48驅(qū)動周期顯示十進制數(shù)字0～59，計數(shù)脈沖1 Hz方波由虛擬信號發(fā)生器提供，脈沖信號也可以利用555定時器產(chǎn)生。從圖7的仿真結(jié)果可以看出：將以前枯燥的數(shù)字電路分析和設(shè)計過程，變?yōu)橹庇^的、形象的視覺效果去展示電路運行過程與結(jié)果，激發(fā)了學生的學習興趣，鍛煉了學生的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)束語

從上面的分析中可以看出：Proteus仿真軟件在電工學理論課程中的應用是對多媒體課堂教學的一個有力補充，為提高學生分析問題、解決問題的能力提供了一個重要的手段。Proteus仿真不僅可以完成課程知識點的驗證，而且激發(fā)了學生的學習興趣，使學生主動地參與到課堂教學中來，大大提高了教學質(zhì)量。在電工學課程中引入Proteus，也為繼續(xù)學習后續(xù)課程——單片機和ARM打下了一定的基礎(chǔ)。

[1] 秦曾煌，姜三勇.電工學[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 秦曾煌，姜三勇.電工學[M].下冊.北京：高等教育出版社，2010.

[3] 黎明，付揚.少學時電工電子學課程教學改革探究[J].實驗技術(shù)與管理，2010,27(11)：292-294.

[4] 敬偉，高麗.探討少學時“電工電子技術(shù)”多媒體輔助教學[J].電氣電子教學學報，2012,34(增刊)：183-185.

[5] 付揚.探討電工電子課堂教學，提高教學質(zhì)量[J].實驗技術(shù)與管理，2012,29(4)：269-271.

[6] 張曉燕，張吉月.電工電子技術(shù)課程教學改革與實施[J].實驗技術(shù)與管理，2010,27(11)：289-291.

[7] 化曉茜，王紫婷.改革電工電子實驗教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2011,30(6)：151-153.

[8] 姜明，溫照方.電工電子技術(shù)課程教學改革探索[J].實驗室研究與探索，2005,24(增刊)：183-185.

[9] 周潤景，張麗娜.基于Proteus的電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M].北京：北京航天航空大學出版社，2006.

[10] 張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術(shù)與管理，2012,29(4)：108-114.

[11] 承浩.Altium Designer在電工電子教學中的虛擬仿真應用與研究[J].沙洲職業(yè)工學院學報，2009,12(3)：28-31.

[12] 胡珊.基于Matlab的電工實驗仿真研究[J].電力自動化設(shè)備，2004,24(11)：60-63.

[13] 秦毅男，廖曉輝.基于PSPICE的電工電子實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學，2005(2)：46-48.

[14] 梁麗.現(xiàn)代化教學手段在電工電子學教學中的應用[J].實驗技術(shù)與管理，2012,29(4)：331-333.

[15] 付揚.Multisim仿真在電工電子實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2011,30(4)：120-122.

[16] 陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗[M].北京：高等教育出版社，2000.