Proteus仿真技術(shù)應(yīng)用于電子技術(shù)課程教學(xué)的分析

摘 要：在電子技術(shù)課程教學(xué)中加入Proteus仿真技術(shù)，能夠使課堂講解更加生動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)演示更加形象。在這種教學(xué)方式下，學(xué)生能夠更加快速的理解教學(xué)的內(nèi)容，從而掌握相關(guān)的概念和原理。本文首先介紹了Proteus軟件的功能特點(diǎn)，然后提出該軟件應(yīng)用在電子技術(shù)教學(xué)中的必要性，最后詳細(xì)分析了Proteus仿真技術(shù)在電子技術(shù)中的教學(xué)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Proteus；仿真技術(shù)；電子技術(shù)；教學(xué)應(yīng)用；課程設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN02-4

作為電子專業(yè)、機(jī)電專業(yè)的主要課程之一，電子技術(shù)教學(xué)效果的好壞，將會(huì)直接影響到學(xué)生對其它相關(guān)課程的學(xué)習(xí)效果。一直以來，該課程的理論教學(xué)過程比較單一枯燥，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)部分的操作性不強(qiáng)，課程設(shè)計(jì)上千篇一律，沒有創(chuàng)意。而應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化軟件則可以大大提升教學(xué)質(zhì)量，Proteus技術(shù)就屬于其中一種，它最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠支持微處理器進(jìn)行仿真，因此非常適用于電子技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際教學(xué)。以下根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)提出相關(guān)見解，希望能對電子技術(shù)的課程教學(xué)起到一定的引導(dǎo)作用。

1 Proteus軟件概述

1.1 簡要介紹

Proteus是由英國研發(fā)的，作為一種電路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化軟件，它具有世界上最為先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)仿真平臺技術(shù)也是世界一流的。在仿真功能上，它能夠模擬普通電路、模擬數(shù)字電路、模擬單片機(jī)的系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)平臺具有開放性和可視性，包含了多種測量調(diào)試工具和信號發(fā)生器，仿真結(jié)果和實(shí)際情況的接近度很高。另外，電路圖繪制功能十分強(qiáng)大，結(jié)合PCB板的設(shè)計(jì)功能，能夠完成電路圖從原理到仿真再到設(shè)計(jì)的全過程。綜上所述，由于該技術(shù)的成本低，開發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)間短但效率高，因此主要應(yīng)用在工程的設(shè)計(jì)和電子技術(shù)的教學(xué)活動(dòng)中，具有重要的作用。

1.2 功能特點(diǎn)

第一，能夠?qū)Υ罅康募呻娐泛蛿?shù)字器件進(jìn)行仿真模擬，由于使用了許多動(dòng)態(tài)仿真元件，所以仿真的效果非常逼真。在微處理器和控制器的仿真上，能夠支持多種型號，例如PIC系列、飛利浦的LPC系列、51系列、AVR的單片機(jī)系列等。第二，Proteus軟件的仿真技術(shù)，是在SPICE3F5的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此，和其他的電路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化軟件一樣，可以對集成或分立的模擬電路、數(shù)字電路進(jìn)行分析，常見的如數(shù)字分析、頻率分析、模擬分析、混合信號分析等。第三，在Proteus軟件中，具有多種虛擬的儀表和儀器可供選用，常見的如信號發(fā)生器、電表、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器、示波器、虛擬終端。其中，虛擬終端設(shè)備能夠利用電腦鍵盤和顯示器，以串口為介質(zhì)和外部的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而達(dá)到通訊的目的。第四，Proteus軟件同時(shí)擁有兩大功能模塊，一是ISIS，二是ARES。在這兩個(gè)功能模塊的共同作用下，一方面可以設(shè)計(jì)原理圖，另一方面也能夠設(shè)計(jì)印制板。在ISIS的環(huán)境中，還可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的交互式仿真。第五，Proteus軟件和Matlab軟件、Keil軟件結(jié)合使用，能夠讓用戶在設(shè)計(jì)的過程中直接對源代碼進(jìn)行編輯或修改，然后觀察運(yùn)行效果。如此，提高了工作效率，節(jié)省了后期對代碼進(jìn)行完善的時(shí)間。

2 Proteus應(yīng)用在電子技術(shù)教學(xué)上的必要性

2.1 增強(qiáng)教學(xué)的真實(shí)性、生動(dòng)性。Proteus仿真技術(shù)能夠?qū)虒W(xué)實(shí)例進(jìn)行演示，從而增強(qiáng)教學(xué)的真實(shí)性和生動(dòng)性。舉例來說，在講述計(jì)數(shù)器的不同進(jìn)制時(shí)，利用集成技術(shù)芯片能夠制作出不同的計(jì)數(shù)器，它們具有不同的進(jìn)制。這種演示方法，能夠加深學(xué)生對集成計(jì)數(shù)器的認(rèn)識，從而更好地利用。

2.2 明確概念，解決難點(diǎn)。Proteus仿真技術(shù)有助于教師課程講解中對相關(guān)概念進(jìn)行明確，從而解決學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)、重點(diǎn)。舉例來說，74LS138譯碼器的主要功能，是將三位二進(jìn)制代碼翻譯成為八路輸出信號，而且輸出結(jié)果為低電平才有效果。教師對此進(jìn)行講授時(shí)，學(xué)生并不能理解這些概念，什么是八路輸出信號，為什么非要輸出低電平。學(xué)生找不到答案，就會(huì)成為一種困惑，阻礙了進(jìn)一步的教學(xué)活動(dòng)。但是，如果講解了74LS138譯碼器的功能原理，在Proteus仿真技術(shù)的應(yīng)用下，可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能的演示，對輸入端和控制端進(jìn)行改變，就能夠在發(fā)光二極管中得到輸出端的結(jié)果。這樣一來，困惑學(xué)生的問題就得到了有效解決，便于課程教學(xué)的繼續(xù)。

3 Proteus仿真技術(shù)在電子技術(shù)中的教學(xué)應(yīng)用

3.1 在理論教學(xué)中的應(yīng)用。在電子技術(shù)的教學(xué)過程中，很多教師都有這樣的同感，由于理論知識比較抽象，相關(guān)概念多且復(fù)雜，加上實(shí)踐性比較強(qiáng)，因此教學(xué)活動(dòng)存在諸多困難。在教學(xué)過程中，既要有大量的電路理論知識，又要時(shí)刻想著電路的結(jié)構(gòu)和信號的特點(diǎn)。學(xué)生一旦缺失了這兩個(gè)方面中的一點(diǎn)，對于電路的學(xué)習(xí)就會(huì)缺少了全面性。傳統(tǒng)教學(xué)方式受到限制，只能重點(diǎn)講解電路的原理，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)興趣，因此教學(xué)效果一般。

應(yīng)用Proteus軟件，在理論知識的教學(xué)中使用仿真技術(shù)，將其呈現(xiàn)在多媒體中，教師能夠?qū)﹄娐吩磉M(jìn)行仔細(xì)講解，學(xué)生也可以看到電路的運(yùn)行現(xiàn)象、信號的波形，從而加深對電路的理解，全面掌握電路的理論知識，為其它相關(guān)教學(xué)活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

舉例來說，電路性能的方法分析是電子技術(shù)課程的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中，放大器靜態(tài)工作點(diǎn)對電路的影響，學(xué)生對此不容易理解。不僅如此，關(guān)于電阻、頻率、信號失真、相位關(guān)系等知識點(diǎn)只有模糊的概念，由于抽象難以理解。但是，使用Proteus軟件對原理圖進(jìn)行構(gòu)建，然后仿真運(yùn)行，就能夠直觀的看到輸入信號的改變對輸出信號的影響。以此為出發(fā)點(diǎn)，可以對電路的放大作用產(chǎn)生深入理解。另外，調(diào)節(jié)電阻的參數(shù)大小，就可以了解偏置工作點(diǎn)對電路性能的影響；調(diào)節(jié)開關(guān)，就可以了解負(fù)反饋對電路性能的影響等。因此，應(yīng)用Proteus的仿真技術(shù)，學(xué)生可以學(xué)到放大器的性能指標(biāo)，對放大器的工作原理進(jìn)行全面理解，以便在復(fù)雜電路的分析上積累知識點(diǎn)和技術(shù)。

3.2 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。在電子技術(shù)的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)的操作是必不可少的環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，能夠?qū)⒗碚摵蛯?shí)際聯(lián)系在一起，從而將人才培養(yǎng)定位于實(shí)用性、創(chuàng)新性、具有操作能力。使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生處于固定的場所之中，實(shí)驗(yàn)儀器和相關(guān)設(shè)備是被指定好的，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間也是提前規(guī)定好的。因此，學(xué)生在這種模式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，受到設(shè)備、時(shí)間、場所的限制，并且實(shí)驗(yàn)類型比較單一，只能做一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重影響到學(xué)生正常的研究能力和創(chuàng)新能力。

與此相對應(yīng)，采用Proteus軟件，利用它的仿真技術(shù)，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就能夠?qū)⑿枰獙?shí)驗(yàn)的電子設(shè)備虛擬出來，而且設(shè)備比較先進(jìn)，相關(guān)的元件比較齊全。采用這種教學(xué)模式開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，不再受教學(xué)條件的限制，打破了場所限制、時(shí)間限制、設(shè)備限制。這種實(shí)驗(yàn)活動(dòng)真正以學(xué)生為中心，豐富了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓寬了學(xué)生的視野，從而達(dá)到提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

在多諧振蕩器的制作試驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)方法對振蕩器輸出的信號進(jìn)行觀察時(shí)，需要使用示波器。但是缺點(diǎn)是會(huì)受到干擾，導(dǎo)致學(xué)生觀看的波形是不完整的，因此難以確定信號的頻率。而應(yīng)用Proteus軟件，能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行構(gòu)建，并對運(yùn)行過程進(jìn)行模擬。在虛擬的示波器上，可以看到不同引腳的波形。如果改變電阻和電容的參數(shù)，還能夠得到更多的振蕩器頻率。除此之外，還能夠得到的信息有：第一，電阻不僅影響振蕩器的頻率，還決定了波形負(fù)脈沖的寬度。第二，電容參數(shù)的改變，對波形的占空比沒有影響。

采用課堂演示的方法和學(xué)生利用Proteus軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的模式，對于振蕩頻率、起振條件、振蕩過程等知識點(diǎn)，學(xué)生們能夠有全面而深刻的理解，不僅掌握了理論知識，還具備一定的實(shí)踐能力。不僅如此，利用Proteus軟件，能夠在電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，變?yōu)槭┟芴赜|發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，然后進(jìn)行仿真。通過這種虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，能夠提高學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的理解，增強(qiáng)動(dòng)手的操作能力，并且在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，提高教學(xué)效率，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

3.3 在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在電子技術(shù)的專業(yè)學(xué)習(xí)中，課程設(shè)計(jì)是鍛煉學(xué)生對于電子電路的綜合設(shè)計(jì)和調(diào)試能力，以及焊接技術(shù)，并且使學(xué)生能夠運(yùn)用知識解決實(shí)際問題，是重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教學(xué)效果不理想，達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。主要原因在于電路的調(diào)試在實(shí)際操作中比理論想象要難，電路的制作效果也不太好。

使用Proteus軟件，學(xué)生可以利用仿真功能進(jìn)行調(diào)試，電路設(shè)計(jì)上如果有問題，就會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，然后進(jìn)行改正。這樣能夠提高電路設(shè)計(jì)的工作效率，帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在最大程度上發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性的基礎(chǔ)上，完成課程設(shè)計(jì)工作。

具體來說，就是在Proteus軟件的幫助下，對數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，然后畫出各個(gè)功能模塊的原理圖，進(jìn)行仿真運(yùn)行。首先，時(shí)基電路與分頻設(shè)計(jì)，接著完成計(jì)數(shù)、鎖存譯碼和計(jì)數(shù)器清零的邏輯控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的可手動(dòng)換擋的數(shù)字頻率計(jì)；然后對能力較強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)換擋設(shè)計(jì)的輔導(dǎo)，完成欠量程和超量程的記憶設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的記憶狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔的純數(shù)字電路的數(shù)字頻率計(jì)。

對于這類比較復(fù)雜的大型電路設(shè)計(jì)，為了避免PCB制作實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)器件類型購買的問題，實(shí)驗(yàn)室可以事先制給出約定只能的集成電路模塊，預(yù)先焊接好提供的集成電路并留出必須的接線排針作為接口，學(xué)生實(shí)驗(yàn)只是將原PCB設(shè)計(jì)預(yù)留的排針為接口使用杜邦線進(jìn)行連接調(diào)試，排除連接中的錯(cuò)誤，基本能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。通過軟件仿真和實(shí)際電路的連接結(jié)合的課程設(shè)計(jì)，既可避免抄襲現(xiàn)象又可鍛煉解決實(shí)際電路中出現(xiàn)問題的能力。應(yīng)用仿真技術(shù)，可以完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)，顯著提高設(shè)計(jì)結(jié)果的成功率，同時(shí)也提升了學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手操作的興趣。

4 結(jié)束語

在電子技術(shù)的教學(xué)過程中，利用Proteus仿真技術(shù)能夠很好地將理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)融入了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。這種教學(xué)方法，有效提高了電子技術(shù)的課程教學(xué)效果，能夠開發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛力。在開拓學(xué)生視野的同時(shí)，提高了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新意識，從而最終增強(qiáng)學(xué)生對電子技術(shù)的知識運(yùn)用能力和實(shí)踐操作能力。除此之外，應(yīng)用Proteus仿真技術(shù)，能夠?yàn)橄嚓P(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)如單片機(jī)、高頻電路等奠定學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

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作者簡介：馮爾理（1967.06-），男，海南?？谌耍Ｄ洗髮W(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)和電子技術(shù)應(yīng)用研究。

作者單位：海南大學(xué) 信息學(xué)院電子信息工程系，?？?570228