Proteus軟件在教學(xué)中的應(yīng)用分析

【摘 要】Proteus軟件以其功能強(qiáng)大、操作簡單、入門容易等優(yōu)勢，在模擬電子、數(shù)字電子和單片機(jī)教學(xué)中都起到了很好的輔助作用。將Proteus軟件應(yīng)用在教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中，使用該軟件對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，比以往單純讓學(xué)生學(xué)習(xí)書本知識更易于接受、更易于提高。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法不但可以降低成本，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，并且具有較高的推廣價值。

【關(guān)鍵詞】Proteus軟件 模擬電子 數(shù)字電子 單片機(jī) 輔助作用

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）25-0063-02

在現(xiàn)行的教學(xué)模式中，提高學(xué)生的動手能力、自主分析和創(chuàng)造能力越來越成為教學(xué)的主流。但是，面對一個全新的電路課題，學(xué)生充滿了好奇，而枯燥的理論分析又使他們倍感乏味。Proteus軟件的出現(xiàn)使教學(xué)更加直觀，更有利于學(xué)生的理解，能充分調(diào)動學(xué)生的積極性，并且在模擬電子、數(shù)字電子和單片機(jī)教學(xué)中都起到了很好的輔助作用。

一 Proteus軟件功能的介紹

Proteus軟件是世界上著名的EDA工具，它從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。它是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺。Proteus獨(dú)一無二的仿真功能使其廣泛應(yīng)用于科研、教學(xué)、設(shè)計(jì)和研發(fā)中。

Proteus系統(tǒng)主要由ISISI電路設(shè)計(jì)與仿真平臺、ProSPICE模數(shù)混合模擬式仿真器、VSM單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)協(xié)同仿真和ARES PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)等構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)體系如圖1。其中在ISIS中主要進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和原理圖的調(diào)試，而在ARES中則進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)、3D模型預(yù)覽和生成制板文件。Proteus軟件仿真功能特性如下：

第一，Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千余種元器件，有30多個元件庫。

第二，Proteus可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意地調(diào)用。

第三，除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。

第四，Proteus可提供的調(diào)試手段多提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。

二 Proteus軟件在模擬電子教學(xué)中的應(yīng)用

模擬電子技術(shù)是一門綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、有一定難度的專業(yè)基礎(chǔ)課。傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題有：（1）理論教學(xué)內(nèi)容抽象。一個簡單三極管的工作特性就讓學(xué)生不知所措，使其難以接受和理解，學(xué)習(xí)效率低；（2）面對一個復(fù)雜的放大電路，電流的流向、電壓的變化以及元器件參數(shù)的選擇等諸多問題，使教學(xué)越發(fā)顯得枯燥，而學(xué)生就更無從下手，致使教學(xué)時間投入很多而得不到理想的效果；（3）穿插在教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)，需要投入大量的實(shí)驗(yàn)裝置，另外實(shí)驗(yàn)過程中的元件損耗、儀器儀表的不穩(wěn)定性等諸多問題，很大程度上影響了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性。

Proteus軟件具有強(qiáng)大的電路仿真功能，能夠通過探針對節(jié)點(diǎn)電壓及支路電流進(jìn)行實(shí)時的跟蹤，另外，通過各種模擬功能的儀器儀表，對電路進(jìn)行波形仿真。這增加了電路元器件參數(shù)改變的靈活性，很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中理論分析的抽象性，以及元件參數(shù)的改變對電路功能影響的直觀性。下面以單管放大電路為例進(jìn)行講述。

如圖2為單管放大電路原理圖。通過仿真圖示儀繪制轉(zhuǎn)移特性曲線，測量并能夠計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。將輸入端對地短路，調(diào)節(jié)電位器RP2，使Vc=Ec/2（取6～7伏），得出測靜態(tài)工作點(diǎn)VC、VE、VB及Vb1的數(shù)值。

按下式計(jì)算IB、IC，并記入表1中。

三 Proteus軟件在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)字電路課程中很多電路的原理比較煩瑣，并且也很抽象。所以在教學(xué)中可以根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，采用Proteus軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與仿真，使理論知識形象而生動，加強(qiáng)學(xué)生對知識的理解與掌握。

在數(shù)字電路中，最難理解的教學(xué)莫過于觸發(fā)器電路。觸發(fā)器電路相對于一般的電路增加了反饋電路，使得電路的分析、理解都變得較為困難。Proteus仿真軟件的應(yīng)用使觸發(fā)器電路的分析變得簡單，因?yàn)樵赑roteus仿真下，可以把觸發(fā)器輸入端每一時刻的信號變化對輸出的影響都能直觀地顯示出來。

以基于Proteus軟件的彩燈循環(huán)電路教學(xué)設(shè)計(jì)為例。在數(shù)字電路這門課程的教學(xué)實(shí)踐中，彩燈循環(huán)電路是一個非常經(jīng)典的電路可以幫助學(xué)生理解555時基電路、二進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器CD4040、74LS138譯碼電路等集成元件的功能。在實(shí)際過程中由于學(xué)生在連接實(shí)際元件電路時可能出現(xiàn)操作錯誤、損壞元件、增加教學(xué)成本。如果在教學(xué)中借助仿真軟件Proteus軟件來仿真該實(shí)驗(yàn)，發(fā)光二極管旁邊的燈變綠表明該等點(diǎn)亮，執(zhí)行仿真后，綠燈循環(huán)閃爍，效果非常明顯。

在數(shù)字電路中任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)只能利用板書進(jìn)行分析，而Proteus的引入直觀地把反饋復(fù)位、脈沖信號的上升沿和下降沿對計(jì)數(shù)的影響反映到電路圖上，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使課堂教學(xué)變得靈活而不再呆板。另外，學(xué)生在原有基礎(chǔ)上可以靈活地進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，改變進(jìn)制并實(shí)時進(jìn)行驗(yàn)證，針對同一項(xiàng)目有了更多的實(shí)現(xiàn)方法，提高了學(xué)習(xí)效率，并打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室只能進(jìn)行單一實(shí)驗(yàn)的局限性。

四 Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

單片機(jī)理論教學(xué)特點(diǎn)決定了該課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在教學(xué)過程中必須注重軟件、硬件的統(tǒng)一。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)型教學(xué)都是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，致使它往往受到諸如時間、空間和硬件資源等條件的制約，而導(dǎo)致老師教學(xué)無特色、學(xué)生學(xué)習(xí)無興趣，教學(xué)效果始終不佳?；谶@種情況，結(jié)合實(shí)際的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，Proteus軟件的出現(xiàn)很大程度上彌補(bǔ)了單片機(jī)教學(xué)中的不足。這種虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境克服了很多條件的限制，豐富了實(shí)踐性教學(xué)的手段，有利于現(xiàn)代教學(xué)理念的更新。

以單片機(jī)控制交通燈電路為例。在以往的教學(xué)中，都是講授完原理后，直接讓學(xué)生進(jìn)行電路元件的焊接和調(diào)試，但是硬件資源易損壞、成本高，還要投入大量的人力進(jìn)行實(shí)物調(diào)試。在電路焊接完之后，還有可能出現(xiàn)單片機(jī)芯片AT89S51，還有二極管因?yàn)楣╇姷脑蚨鵁龎模@樣就不得不重新領(lǐng)取元件進(jìn)行焊接，這樣既造成了材料的浪費(fèi)，也造成了時間的浪費(fèi)，影響了整個學(xué)習(xí)項(xiàng)目的進(jìn)度。即使硬件電路沒有問題，在軟件的燒錄過程中，調(diào)試需要一遍一遍地在單片機(jī)芯片中下載程序，這樣大量的重復(fù)性過程，也會對學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和興趣造成不利影響。而在Proteus軟件仿真中，將硬件和軟件有機(jī)結(jié)合，通過畫原理圖在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題可以直接更換，大量地減少了材料和時間的損耗。還可以進(jìn)行實(shí)際效果的演示，既可以直觀的看見實(shí)際成果，也可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

五 結(jié)束語

Proteus軟件以其功能強(qiáng)大、操作簡單、入門容易的優(yōu)勢在越來越多的教學(xué)活動中得以應(yīng)用。采用Proteus軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，既充分利用機(jī)房的現(xiàn)有設(shè)備，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件維護(hù)，又與實(shí)際工程系統(tǒng)非常接近，拉近與就業(yè)的距離，提高了學(xué)生的就業(yè)能力。另外將Proteus軟件應(yīng)用在教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中，使用該軟件對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，在不需要硬件投入的情況下，學(xué)生普遍反映比以往單純學(xué)習(xí)書本知識更易于接受、更易于提高，積累了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，不但可以降低成本，而且具有較高的推廣價值。

〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕