Proteus在電子線路教學和實驗中的應用

　　摘 要： 電子線路是電子信息類專業的重要課程，但學生在學習過程中普遍反映概念多，難以理解與掌握。本文作者利用Proteus仿真軟件，結合振幅調制和低頻功率放大器兩個具體實例，闡明了該軟件在電子線路教學和實驗中的優勢。在學校的教學實踐中，取得了良好的效果。
　　關鍵詞： 電子線路課程 Proteus 仿真電路實驗
　　
　　1.簡介
　　電子線路課程包括低頻電子線路和高頻電子線路，是電子信息、通信工程等專業的核心基礎課程，主要介紹電子系統中的各功能電路的工作原理與分析方法，其教學目的是培養學生能在電子及通信相關領域從事產品設計開發、科學研究等方面的能力［１］。但是由于該課程理論性較強，涉及的知識點較多，同時課程的實踐性較強，電路較多且組成靈活，因此學生普遍反映較難理解和掌握。同時由于學生實驗的時間相對較少，雖然我院開展了專業實驗室開放和建立的大學生創新實驗室，但學生真正走進實驗室的機會還是不多。
　　隨著計算機技術的不斷發展，計算機輔助設計（CAD）工具逐漸應用到很多領域，包括電子電路的分析和設計。通過電路方真可以強化基本概念、基本原理，進一步理解基本電路，并掌握基本分析方法，有利于學生掌握電路的基本構成、作用和常用檢測方法［2］。目前常用的CAD軟件有Proteus、Protel、EWB、Multisim和PSPICE等。
　　Proteus系統仿真與開發平臺是由英國Labcenter公司開發的一款支持模擬、數字、單片機及嵌入式系統的完整的仿真和開發平臺，可以說它是當前廣泛使用的電子線路設計與仿真軟件Protel和Multisim功能的聯合和進一步擴展。該軟件的功能廣泛，消除了學生學習多種仿真和設計軟件的障礙，特別適合于初學者在理解基本概念時使用。使用Proteus軟件仿真電路實驗具有系統資源豐富，硬件投入少，學生可以自行設計實驗，和工程實踐最為接近的優點，可以有效地提高學生學習的興趣，改善教學和實驗質量。同時由于Proteus在單片機及嵌入式系統仿真中的強大功能，可以為后續課程的學習打下良好的基礎。而目前Proteus主要是在單片機的教學和實驗中得到廣泛使用［3］，因此本文結合幾個實際例子，主要介紹Proteus軟件在電子線路的教學和實驗中的應用。
　　2.振幅調制的Proteus仿真
　　Proteus是一款基于ProSPICE混合模型仿真器的完整的軟硬件仿真平臺，包含ISIS和ARES應用軟件。其中ISIS是智能原理圖輸入軟件，可以直接對原理圖進行仿真。ARES是和Protel類似的PCB布線編輯軟件。ISIS同時還支持電路仿真模式VSM（虛擬仿真模式），它提供了許多類型的模擬仿真工具，可以對設計好的電路圖直接進行仿真，給電路設計和分析帶來的極大的方便［4］。本節就利用Proteus的虛擬儀器理解振幅調制的基本概念。
　　在Proteus ISIS編輯區內放置虛擬信號發生器和示波器。Proteus的虛擬信號發生器可以產生方波、鋸齒波、三角波和正弦波，輸出頻率范圍在0—12 MHz，輸出幅值在0—12 V。并且還具有調幅波和調頻波輸出功能。
　　我們在AM端口接入一個0.2 V、100 Hz的交流信號，由信號發生器產生一個幅度為1 V、頻率為1 KHz的載波信號，則信號發生器“+”端口輸出該調幅信號，模擬示波器上顯示的調幅波波形如圖1所示。
　　3.低頻功率放大器的Proteus仿真
　　本節要討論的低頻功率放大器是一個OTL電路，5V單電源供電，輸出端接一個1000uF的大電容，通過充放電，做負電源使用。在Proteus ISIS編輯區內編輯如圖2所示的電路原理圖。其中R5和C3組成的自舉電路抬高A點的電位。本節主要調試和觀察交越失真波形、測量最大不失真輸出電壓及計算最大輸出效率。
　　3.1觀察交越失真波形
　　按照圖2所示連接電路，并在電路中放入直流電壓表和直流毫安表。調節RV1，使A點的直流電位為電源電壓的一半，即2.5 V。再調節RV2使毫安表的讀數在5—10 mA之間。這樣兩個管子的VCE都為2.5 V。
　　圖2中的RV2和D1是專門用來消除輸出波形的交越失真的。現在我們調節RV2，使得Q2和Q3兩基極簡電壓減小，從而輸出波形出現交越失真。首先斷開C1與地之間的短路線，接交流信號發生器，在C2后接示波器，并在輸出負載兩端加入交流毫伏表，用來測量輸出信號的有效值。
　　運行仿真，使信號發生器頻率為1KHz，調節其幅度，觀察示波器上的波形使其不出現上下頂失真。輸入波形和輸出波形如圖3所示，其中上方為輸出信號波形，下方為輸入信號波形。接下來把RV2往下調，直到輸出波形出現交越失真為止，如圖4所示。
　　3.2 最大不失真輸出電壓及輸出效率
　　繼續調節滑動變阻器RV2，使其值變大，直到交越失真消失為止。然后加大輸入信號的幅值，是輸出波形出現上下頂失真。調節RV1，使失真消失，減小輸入信號幅度，觀察失真是否對稱。如此反復調節RV1和輸入信號幅度，直到輸出波形上下頂的波形失真剛剛同時消失。這時的工作點最為合適。
　　在交流電壓表上讀出的輸出電壓的有效值，即為最大輸出電壓U＝418 mV。則最大不失真功率為：
　　P==≈21.84 mW.
　　輸出效率等于最大不失真時，負載輸出功率與電源提供功率的比值。我們可以讀出直流電源的電流為7.79 mA，電壓為5 V，則功率為：
　　P＝5×7.79=38.95 mW.
　　則電路的效率η為：
　　η＝×100%=×100%≈56%.
　　4.結語
　　利用Proteus軟件仿真電子線路和實驗，不但彌補了傳統實驗教學中存在的設備緊張、更新速度慢、元器件損耗大等不足，而且能夠大大激發學生的學習興趣［５］。本文通過調幅信號和低頻功率放大器兩個具體的例子，說明了Proteus軟件的巨大優勢。
　　
　　參考文獻：
　　［1］廖惜春.基于工程應用的“高頻電子線路”課程教學研究［J］.南京：電氣電子教學學報，2007，29（4）：12-14.
　　［2］朱天橋，孫萬蓉，孫肖子.淺談PSPICE在高頻教學中的應用［J］.南京：電氣電子教學學報，2006，28（5）：43-48.
　　［3］方怡冰.單片機課程的教學與實驗改革［J］.南京：電氣電子教學學報，2006，28（3）：76-79.
　　［4］朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，王志奎.Proteus教程［M］.北京：清華大學出版社，2008.
　　［5］朱震華.Proteus在電工電子實驗教學中的應用［J］.北京：中國現代教育裝備，2008，64（6）：72-73.
　　
　　本項目受安徽省高等學校省級教學質量與教學改革工程重點項目（20100163），安徽大學質量工程建設項目（XJ2009026，XJ2009022），安徽大學通信工程校級特色專業建設項目支持。
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