基于Proteus 仿真技術(shù)在電工電子實驗中的探索與實踐

張文強 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古軌道交通研究所

關(guān)鍵字：Proteus 電工電子實驗 虛擬仿真

《電工電子基礎(chǔ)》是我院各專業(yè)實踐性較強的程課之一，對于培養(yǎng)高職學(xué)生電路應(yīng)用分析能力、融合能力以及動手實踐和創(chuàng)新能力具有重要作用。該課程涵蓋基本電路分析、直交流電、電動機、模擬電路和數(shù)字電路等內(nèi)容，涉及知識點多、難度大，因此需要通過大量的實驗來理解、掌握和應(yīng)用。而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式存在時間安排不合理、實驗場地和設(shè)備資源缺乏、學(xué)生參與度不高等問題，理論學(xué)習(xí)與實踐操作脫離，難以達預(yù)期的教學(xué)效果和要求。為了更好解決上述問題，將 Proteus 虛擬仿真平臺引入到電工電子的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，改變原有的教學(xué)模式，使原來乏味的實驗課變得生動起來，以達到更好地掌握理論知識和提高實踐教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 Proteus 仿真軟件介紹

Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司開發(fā)的一款 EDA 仿真軟件，該仿真軟件包含Schematic Capture、PCB Layout、VSM Studio IED 等模塊，配備有主流單片機編譯仿真、電路仿真和PCB 設(shè)計等功能。該軟件提供了極多的數(shù)模元件，可用于各種模擬數(shù)字電路的搭建，還包含多種虛擬儀器，如示波器、信號發(fā)生器及計數(shù)/定時器等，可直接用于模數(shù)電路的測試和輸出。

2 Proteus 虛擬仿真在電工電子實驗中的典型應(yīng)用——基爾霍夫定律的驗證

作為基本的電學(xué)定律——基爾霍夫定律是分析多源電路中電流、電壓和電阻關(guān)系的常用方法?；鶢柣舴蚨傻尿炞C實驗是電工電子實驗課程中一個重點難點實驗，對于學(xué)生掌握基爾霍夫電流電壓定律、分析電路特點和計算電位大小等具有重要意義。

2.1 基爾霍夫定律的驗證

在進行驗證實驗前，要求學(xué)生按照《 Proteus 仿真電工電子實驗任務(wù)書》要求，熟悉 Proteus 仿真軟件的基本操作和基爾霍夫定律的相關(guān)內(nèi)容，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生利用 Proteus 軟件完成基爾霍夫定律的驗證仿真電路的搭建，要求元器件參數(shù)如圖1 所示。三個支路中分別串入三個電流表，用于顯示各支路中的電流值，在每個元器件（電阻）并上數(shù)顯電壓表，回路中各段電壓也一目了然。

圖1 基爾霍夫電壓驗證實驗原理圖

圖2 基爾霍夫電流驗證實驗原理圖

分析驗證基爾霍夫電壓定律：假定回路繞行方向為順時針，此時回路1 中的電壓代數(shù)和U1+U2-8=0，可得出結(jié)論：在任一瞬時，沿任一閉合回路繞行一周，回路中各支路電壓的代數(shù)和恒等于零，如圖1所示。

分析驗證基爾霍夫電流定律：假定流入節(jié)點B 處的電流為正，流出節(jié)點B 處的電流為負(fù)，此時B 節(jié)點電流的代數(shù)和I1+I2-I3=0；可得出結(jié)論：在任一瞬時，通過電路中任一節(jié)點的各支路電流的代數(shù)和恒等于零，如圖2 所示。

以上內(nèi)容，很好地驗證了基爾霍夫定律的正確性。為了更好的驗證基爾霍夫定律的可靠性，要求學(xué)生改變電壓源的數(shù)值、方向和電阻阻值，重新測量計算后，學(xué)生會得出相同的結(jié)論。

2.2 人為故障設(shè)定，提高電路分析能力

在完全理解定律的基礎(chǔ)上，在仿真電路中人為的設(shè)定一些故障，例如短路、開路等，通過測量電壓值、電流值，計算分析故障原因，提高學(xué)生分析復(fù)雜電路的能力，融會貫通，為學(xué)生后期專業(yè)課學(xué)習(xí)、技能鑒定、技能大賽和現(xiàn)場工作打下扎實基礎(chǔ)。此外，學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動分析，理論學(xué)習(xí)和實踐操作相統(tǒng)一，改變教師傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高了課程的趣味性和學(xué)生的積極性，使學(xué)生在實踐過程中獲得成就感。

3 結(jié)論

由上述典型實驗案例可以得出，將 Proteus 仿真技術(shù)融入到電工電子實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，很好地彌補了傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足，最大限度地拓展實驗教學(xué)的時間和空間，進一步完善了“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)改革模式，豐富了電工電子課堂教學(xué)的內(nèi)容和形式，實現(xiàn)了虛實結(jié)合的層層深入和良好融合，激勵學(xué)生由被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，經(jīng)課堂實踐驗證，效果良好。