基于Proteus ISIS的電工與電子技術(shù)課程趣味性教學(xué)研究

譚艷春　樊海紅　劉目磊

摘 要 為了適應(yīng)新時(shí)期高校對(duì)人才培養(yǎng)的要求，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，針對(duì)電工與電子技術(shù)課程理論教學(xué)中存在的問(wèn)題，將Proteus仿真軟件引入到課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)融合。通過(guò)舉例，詳細(xì)介紹了Proteus軟件在KCL定理和運(yùn)算放大器電路中的應(yīng)用。實(shí)踐表明：在電工與電子技術(shù)課堂上使用Proteus軟件對(duì)一些重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行仿真演示，可以讓抽象、枯燥、難懂的理論知識(shí)變得形象生動(dòng)、便于理解，可在很大程度上提高課程的趣味性和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，最終達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞 Proteus ISIS 電工與電子技術(shù) 教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.07.063

Interesting Teaching Research of Electrical Engineering and

Electronic Technology Course Based on Proteus ISIS

TAN Yanchun[1]， FAN Haihong[1]， LIU Mulei[2]

（[1]College of Electronical and Information Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang Guangdong 524088；

[2]Navy 92326 Troops， Zhanjiang， Guangdong 524005）

Abstract In order to meeting the demands of universities in the new era and to promote the students' interest in learning， the Proteus simulation software is introduced into the theoretical teaching in view of the problems in the theory teaching of electrical engineering and electronic technology course. Then the real-time fusion of theory and experiment is realized. Through examples， the application of Proteus software in KCL theorem and operational amplifier circuit is introduced in detail. The practice shows that using Proteus software in electrical engineering and electronic technology teaching to simulate some key and difficult points can make the abstract， boring and unintelligible theoretical knowledge more vivid and easy to understand. And it can also improve the interest of the course and the enthusiasm of the students to a great extent. Finally it can reach the purpose of improving the teaching quality.

Keywords Proteus ISIS； electrical engineering and electronic technology； teaching research

0 引言

電工與電子技術(shù)是高等院校工科非電類專業(yè)一門(mén)重要的課程。該課程涵蓋的知識(shí)點(diǎn)較多、理論抽象，計(jì)算復(fù)雜。目前大多數(shù)高校一般采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，這種教學(xué)模式存在以下兩個(gè)主要問(wèn)題：一是由于學(xué)分、學(xué)時(shí)的限制導(dǎo)致課時(shí)較少，無(wú)法保證對(duì)該課程的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；二是由于教學(xué)計(jì)劃安排和實(shí)驗(yàn)室資源有限等多種主客觀因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課很難與理論課同步。

為了改變這一現(xiàn)狀，提高“電工與電子技術(shù)”課程的教學(xué)質(zhì)量，本文將電子設(shè)計(jì)和仿真軟件Proteus ISIS引入到課堂中，對(duì)該課程中的一些重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)電路仿真，結(jié)果以圖形、數(shù)據(jù)、聲音等多種形式進(jìn)行顯示，使理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，讓抽象、枯燥、難懂的理論知識(shí)變得形象生動(dòng)、便于理解，提高課程的趣味性。[1]-[5]

1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以電工與電子技術(shù)課程中的KCL定理和集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路兩個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。[6]-[12]

1.1 交流電路的KCL定理

KCL（基爾霍夫電流定律）、KVL（基爾霍夫電壓定律）以及元器件的VCR關(guān)系是電路分析的基本定律。其中，KCL描述的是電路中與某個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的各支路的電流關(guān)系。該定理可簡(jiǎn)述為：集總參數(shù)電路中，流入或流出任一節(jié)點(diǎn)（也可擴(kuò)展為封閉曲面）的各支路的電流代數(shù)和為零。

多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，KCL在直流電路中的應(yīng)用學(xué)生比較容易掌握，但在交流電路中的應(yīng)用往往存在問(wèn)題。主要原因在于交流電路中L、C元器件的VCR關(guān)系一直是教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生往往局限于高中時(shí)學(xué)過(guò)的歐姆定律的思維模式，很難理解并接受交流電路中電容、電感的時(shí)域微分關(guān)系和頻域的相量關(guān)系。因此在應(yīng)用KCL求解含有電容或電感的交流動(dòng)態(tài)電路的支路電流時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)原則上的錯(cuò)誤。針對(duì)上述問(wèn)題，用Proteus設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的RC并聯(lián)電路，加深同學(xué)對(duì)交流電路KCL的理解，仿真電路如圖1所示。

圖1 KCL交流仿真電路

其中：輸入電源u（t）=10sin（500t）V，R1=20 ，C1=100uF ，并聯(lián)電壓相同，因?yàn)殡娮桦娏髋c電源電壓同相，而電容電流超前電源電壓90埃宰艿緦鰲⒌繾璧緦骱偷縟蕕緦鞴鉤閃艘桓鮒苯僑切危艿緦韉募撲愎餃縵攏？

可以看到電源支路的直流電流表顯示也為2.28A，與理論的計(jì)算結(jié)果一致。

1.2 集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路

集成運(yùn)放應(yīng)用電路主要包括反相比例放大器、正向比例放大器、加法器、減法器和微積分電路。本文以反相比例放大器為例進(jìn)行仿真演示，加深同學(xué)對(duì)運(yùn)放反相比例放大器計(jì)算公式以及工作區(qū)（放大區(qū)和上下飽和區(qū)）的理解，電路如圖2所示。

圖2 反相比例放大器（直流輸入，放大區(qū)）

運(yùn)放采用uA741，工作電源為？2V，元件參數(shù)R1=10K，R1=1K，為了減小輸入級(jí)偏置電流引起的誤差，在同相輸入端應(yīng)接入平衡電阻R3：R3=R1//R2=0.909K。輸入采用直流激勵(lì)源（設(shè)為0.3V），理論輸出為，可以看到輸出端的直流電壓表顯示為-2.99V，與理想狀態(tài)下反相放大器公式的結(jié)果基本一致，精度為0.3%。

當(dāng)輸入為3V時(shí)，若按放大區(qū)的計(jì)算公式輸出應(yīng)為-30V，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電源的？2V，因此進(jìn)入飽和區(qū)，由于電路的內(nèi)部損耗，實(shí)際輸出一般少于電源電壓，由圖3可知，此時(shí)輸出為-10.5V。

圖3 反相比例放大器（直流輸入，飽和區(qū)）

將輸入變?yōu)榻涣餍盘?hào)，用示波器展示仿真結(jié)果，電路如圖4所示。

圖4 反相比例放大器（交流輸入）

當(dāng)輸入信號(hào)為0.3sin（100t+30？V時(shí)，為了方便計(jì)算放大倍數(shù)，需調(diào)節(jié)示波器的Channel A和Channel B在同一檔位，仿真結(jié)果如圖5所示。此時(shí)運(yùn)放工作在放大區(qū)，由圖5可知，輸入、輸出兩路正弦信號(hào)相差180埃詞淙胗?xùn)V涑魴藕攀欠聰嗟摹2⑶矣賞伎杉撲慍鍪涑齙繆刮？.98V，放大倍數(shù)約為9.93，精度為0.7%。該精度與示波器的A、B通道的選擇有關(guān)。

圖5 反相比例放大器（交流輸入，放大區(qū)）

當(dāng)輸入信號(hào)為時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 反相比例放大器（交流輸入）

此時(shí)運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)，由圖6的曲線計(jì)算可得輸出電壓振幅約為10.6V。

2 結(jié)束語(yǔ)

Proteus強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)和仿真功能為電工與電子技術(shù)課程的理論教學(xué)帶來(lái)了極大的便捷。本文以KCL定理和集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路兩個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)為例將Proteus引入到電工與電子技術(shù)的課堂教學(xué)中，在不增加硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的前提下，可使理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)地融合，把課本中那些抽象、枯燥、難懂的理論知識(shí)以清楚明了、形象生動(dòng)的數(shù)字、圖形或音頻形式展示給同學(xué)，在很大程度上提高了同學(xué)們的上課學(xué)習(xí)熱情，很多同學(xué)課后會(huì)自己嘗試下載安裝Proteus進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果得到了很好的提升。

項(xiàng)目：廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目（530002001147） 廣東海洋大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（530002001162）

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