基于Proteus的高職自動(dòng)化類專業(yè)電子技術(shù)課程教學(xué)改革

王顯梅，彭宇林

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧，530226）

電子技術(shù)是高職自動(dòng)化類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要包括電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等內(nèi)容。該課程的學(xué)習(xí)效果，將直接影響后續(xù)PLC應(yīng)用技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)線安裝與調(diào)試等課程的學(xué)習(xí)。在過去長期的教學(xué)過程中，存在著理論教學(xué)以講授為主，主要靠學(xué)生自己理解和充分發(fā)揮想象能力對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解，知識(shí)點(diǎn)非?？菰锓ξ?；而實(shí)訓(xùn)課教學(xué)則根據(jù)系部元件庫已有的器件開展有限的項(xiàng)目訓(xùn)練，其效果非常有限；課程綜合設(shè)計(jì)則由于沒有前期的仿真而直接的進(jìn)行電路板的制作和安裝，成功率低。這樣導(dǎo)致的后果是部分學(xué)生對(duì)本門課程開始階段充滿期待，學(xué)習(xí)激情高漲，隨著學(xué)習(xí)的深入和難度的加大，不懂的問題越積累越多，從而慢慢的失去對(duì)課程的興趣和信心。因此，將Proteus仿真軟件引入電子技術(shù)課程的教學(xué)全環(huán)節(jié)當(dāng)中，借助仿真軟件生動(dòng)形象展示各種電路運(yùn)行效果，激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，使其還可在課外進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，極大提高了教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)習(xí)效果顯著，有力的推動(dòng)了電子技術(shù)的教學(xué)改革。

1 Proteus軟件簡介

Proteus是由Labcenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件。自1989年推出市場(chǎng)以來，使用非常廣泛，該軟件組合了高級(jí)原理布圖、混合模式Spice仿真、PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)化布線來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)以上與其他EDA工具相同功能外，其革命性的功能是將用戶對(duì)基于單片機(jī)為核心的系統(tǒng)連同所有的接口器件一起進(jìn)行仿真，Proteus軟件的主要特點(diǎn)有：

（1）可以實(shí)現(xiàn)原理圖繪制和PCB板設(shè)計(jì)。

（2）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。有豐富的各種虛擬儀器，如電壓表、電流表、邏輯分析儀、示波器、信號(hào)發(fā)生器等；具有電路基礎(chǔ)仿真、模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路的系統(tǒng)仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能。

（3）具有支持當(dāng)前市面上主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。如：8051、PIC、ARM等市面上主流的單片機(jī)。

（4）強(qiáng)大的調(diào)試工具。具有和KeilUVision2等開發(fā)工具接口。

2 Proteus在電子技術(shù)課程教學(xué)中應(yīng)用

■2.1 Proteus在理論教學(xué)中的應(yīng)用

在電子技術(shù)課程理論教學(xué)過程當(dāng)中，由于涉及的知識(shí)點(diǎn)多、概念新及電路抽象，看不見摸不著，只能發(fā)揮學(xué)生的自我空間想象能力進(jìn)行理解，非常枯燥無味。而理論教學(xué)作為實(shí)訓(xùn)教學(xué)的基礎(chǔ)，如果不能很好的理解和掌握其原理，在實(shí)踐中就不能運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐，從而摸不著頭腦而無從下手，所以理論教學(xué)就顯得尤為重要。因此，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助他們學(xué)好理論知識(shí)，就成為每一位電子技術(shù)教師所面臨的問題。在理論教學(xué)過程中引入Proteus仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，可以起到了事半功倍的效果，教師事先講解電路原理，然后通過仿真軟件來展示該電路的運(yùn)行過程，這樣就可以讓學(xué)生觀察到各種信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，非常直觀形象的展示教學(xué)內(nèi)容，加深對(duì)電路原理的掌握，提高理論教學(xué)的效率。

基本放大電路的原理是電子技術(shù)課程非常重要的一部分內(nèi)容，掌握其工作原理和性能分析是學(xué)好后續(xù)相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)。由于該電路是學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)遇到的第一個(gè)功能相對(duì)完善的電路，要很好的掌握和理解基本放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、放大倍數(shù)、輸入/輸入電阻、信號(hào)相位關(guān)系等概念是非常困難的。因此，通過Proteus仿真軟件搭建基本放大電路仿真測(cè)試原理圖，如圖1所示。通過展示放大電路仿真運(yùn)行過程，學(xué)生可以非常直觀的觀察到靜態(tài)工作點(diǎn)各處電壓，掌握他們之間的關(guān)系，懂得如何設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，知道該放大器處于什么狀態(tài)；同時(shí)為了掌握放大器的放大性能，可以通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)幅度和頻率，在虛擬示波器上觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)波形的關(guān)系和放大比例，就可以計(jì)算出三極管的放大倍數(shù)，這樣對(duì)β值就有了深入的理解，仿真波形圖如圖2所示。顯然，通過Proteus仿真軟件融入理論教學(xué)，可以幫助學(xué)生形象直觀地學(xué)習(xí)電路工作原理，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

圖1 基本放大電路仿真測(cè)試原理圖

圖2 仿真波形圖

■2.2 Proteus在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)訓(xùn)教學(xué)是高職自動(dòng)化類專業(yè)培養(yǎng)技術(shù)技能型人才的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中占專業(yè)課程總課時(shí)時(shí)數(shù)達(dá)55%以上。因此，如何在教學(xué)活動(dòng)中開展好實(shí)訓(xùn)教學(xué)顯得尤為重要。而在傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生將根據(jù)元件庫已有的器件和儀器開展有限的項(xiàng)目訓(xùn)練，且周期長，成功率低，當(dāng)實(shí)訓(xùn)失敗后將推到重來，這樣部分同學(xué)整個(gè)上午一個(gè)實(shí)訓(xùn)也無法完成，嚴(yán)重打擊同學(xué)們的積極性。而將Proteus引入實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以在實(shí)訓(xùn)前充分利用仿真軟件中豐富的元器件和先進(jìn)的虛擬儀器設(shè)備，來搭建教師事先在線上教學(xué)活動(dòng)中所布置的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，開展無數(shù)次的虛擬實(shí)訓(xùn)，直到成功為止。當(dāng)真正開展線下實(shí)際實(shí)訓(xùn)時(shí)，只要仿真通過的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，按照仿真時(shí)的電路元件參數(shù)和電路原理進(jìn)行搭建，幾乎成功率可達(dá)100%，這樣以來可以提高實(shí)訓(xùn)的成功率，對(duì)提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和信心都是有很大的幫助。

延時(shí)LED燈是電子技術(shù)課程中的一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，其仿真原理如圖3所示。而在傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生一開始就根據(jù)電路圖進(jìn)行元器件的焊接和上電測(cè)試，利用萬用表對(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且一個(gè)時(shí)間只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的電壓或電流，不能全面的觀察各關(guān)鍵點(diǎn)的電壓或者電流的變化關(guān)系。而將Proteus仿真軟件引入項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，可以通過虛擬直流電壓表對(duì)LM358集成運(yùn)算放大器的3腳同相輸入端、2腳反相輸入端、1腳輸出端和LED燈兩端電壓進(jìn)行測(cè)量，利用虛擬電流表對(duì)LED燈的工作電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)按鈕按下時(shí)，LED燈被點(diǎn)亮，此時(shí)2腳反相輸入端的電壓為0V，1腳輸出端為7.70V，LED燈的壓降為2.23V，電流為10毫安，與理論分析幾乎完全一致；并且放開按鈕后2反相輸入端的電壓逐漸升高，其電容C1充電快慢與R3C1數(shù)值有關(guān)，通過以上仿真，同學(xué)們對(duì)電路的工作過程，關(guān)鍵點(diǎn)的電壓變化均有了深入到認(rèn)識(shí)，當(dāng)實(shí)際進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)時(shí)，可以迅速的完成項(xiàng)目訓(xùn)練，極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分享受實(shí)訓(xùn)成功帶來的喜悅。

圖3 延時(shí)LED燈仿真測(cè)試原理圖

■2.3 Proteus在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用

課程設(shè)計(jì)是電子技術(shù)課程的一個(gè)綜合訓(xùn)練，是考察學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握總體情況，以及電路設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問題的能力。而在傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)活動(dòng)中，學(xué)生根據(jù)教師給出的任務(wù)要求，分析項(xiàng)目要求的性能指標(biāo)，進(jìn)行整體和各子電路原理圖的繪制，利用所學(xué)理論知識(shí)計(jì)算取值，然后根據(jù)原理圖繪制電路板、焊接和整機(jī)調(diào)試，如果有一出設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，將重新進(jìn)行設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)和電路板制作，效率和成功率都極其低下。而引入Proteus仿真軟件，可以將前期的電路原理圖設(shè)計(jì)，各子電路和整體電路功能測(cè)試進(jìn)行前移，即可以在軟件中全部完成，對(duì)不符合要求的元件參數(shù)隨時(shí)修改，直到滿意為止，最后再進(jìn)行電路焊接和調(diào)試，只要焊接接線過程沒有問題，所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目就能實(shí)現(xiàn)其功能，從而提高了設(shè)計(jì)效率。

圖4 簡易電子琴仿真測(cè)試原理圖

簡易電子琴是電子技術(shù)課程的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，電路如圖4所示。該項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)主要由三個(gè)子電路所構(gòu)成，即琴鍵電路、振蕩電路和功放電路，其中最為關(guān)鍵的部分是振蕩電路設(shè)計(jì)。由于一首音樂是由許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，頻率產(chǎn)生則由振蕩器與琴鍵部分接入的電阻來構(gòu)成，通過不斷調(diào)整元件參數(shù)，用虛擬示波器來觀察頻率變化，直到設(shè)計(jì)符合要求為止，這樣就可以快速的完成整體電路的設(shè)計(jì)仿真工作，極大的提高的設(shè)計(jì)效率，快速的完成課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，迅速提升學(xué)生解決問題的能力。

3 結(jié)束語

實(shí)踐表明，將Proteus仿真軟件引入自動(dòng)化類專業(yè)電子技術(shù)課程教學(xué)的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，提高了任課教師教學(xué)效率，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，彌補(bǔ)理論教學(xué)枯燥乏味，擺脫了實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備和器件的束縛，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，對(duì)電子技術(shù)課程乃至其他相關(guān)課程的教學(xué)改革起到了很好的示范作用。