Proteus仿真軟件在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

摘要：Proteus仿真軟件是目前功能最全、最先進(jìn)的EDA工具，本文在實(shí)際教學(xué)基礎(chǔ)上介紹了Proteus在模擬、數(shù)字電子技術(shù)課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等各教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用實(shí)例及體會。

關(guān)鍵詞：Proteus；電子技術(shù)；仿真

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）04-0215-02

一、引言

將EDA（Electronic Design Automatic，電路設(shè)計(jì)自動化）軟件應(yīng)用于電子電路的輔助教學(xué)，可以使課堂講解和實(shí)驗(yàn)演示更生動、形象，使學(xué)生更快、更好地掌握課堂教學(xué)的內(nèi)容，加深對概念、原理的理解。目前常用于電路設(shè)計(jì)、分析的EDA軟件有PSpice、Protel、Multisim（EWB）和Proteus等，其中Proteus除了可以仿真、分析各種模擬和數(shù)字電路以外，其最大的特點(diǎn)是可以支持許多型號的微處理器仿真，所以非常適合電子信息專業(yè)基礎(chǔ)課，如電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電路、通信原理和單片機(jī)等課程的輔助教學(xué)。

二、Proteus仿真軟件

Proteus仿真開發(fā)平臺是由英國Labcenter公司開發(fā)的，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺，是一個完整的硬件、軟件設(shè)計(jì)仿真平臺，包括原理圖輸入系統(tǒng)ISIS、帶擴(kuò)展的ProSpice混合模型仿真器、動態(tài)器件庫、高級圖形分析模塊和處理器虛擬系統(tǒng)仿真模型VSM，主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1.可以仿真數(shù)千種模擬、數(shù)字器件和集成電路，并且提供了大量的動態(tài)仿真器件，使仿真運(yùn)行效果更逼真；支持多種型號的微處理器、微控制器芯片的仿真，如51系列、PIC系列、AVR系列單片機(jī)、摩托羅拉的68MH1l系列，以及philips的LPC系列ARM芯片等。

2.Proteus的仿真是基于SPICE3F5的，因此它也能像其他的EDA軟件那樣對各種分立與集成的模擬、數(shù)字進(jìn)行電路分析，如模擬分析、數(shù)字分析、混合信號分析、頻率分析等。

3.提供了虛擬示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、電表、虛擬終端（VirtualTerminal使用電腦的鍵盤和顯示器通過串口與外部的單片機(jī)系統(tǒng)通訊）等虛擬儀器儀表供選用。

4.由ISIS及ARES兩大功能模塊構(gòu)成，既能夠進(jìn)行SCH（原理圖）的設(shè)計(jì)，也能夠進(jìn)行PCB（印制板）的設(shè)計(jì)，并且在ISIS環(huán)境中能夠?qū)υO(shè)計(jì)的電路進(jìn)行交互式實(shí)時仿真。

5.能和Keil、Matlab等軟件整合使用，使得用戶可以在設(shè)計(jì)中直接編輯修改源代碼，并即時觀察運(yùn)行效果。

鑒于proteus軟件的特點(diǎn)，我們將proteus的應(yīng)用融合進(jìn)了教學(xué)的多個環(huán)節(jié)，進(jìn)行了較為深入的實(shí)踐應(yīng)用。

三、Proteus在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)是電子技術(shù)課程的兩個分支，模擬電子技術(shù)一般設(shè)置在數(shù)字電子技術(shù)之前，這兩門課程是電類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課程的基石，具有實(shí)踐性、系統(tǒng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，并且課程內(nèi)容較多，相對學(xué)時較少。為了加強(qiáng)課程的學(xué)習(xí)，對于電子信息專業(yè)的學(xué)生我們在培養(yǎng)計(jì)劃中設(shè)置了理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，結(jié)合各個教學(xué)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，我們輔助應(yīng)用proteus仿真軟件加強(qiáng)教學(xué)效果，有效地提高了學(xué)生電子線路系統(tǒng)性設(shè)計(jì)及創(chuàng)新性的能力。

1.在模擬電子技術(shù)課堂教學(xué)中，將proteus的交互式仿真運(yùn)行融于基于多媒體的課堂理論教學(xué)之中，具有即時、直觀、生動的特點(diǎn)，有利于學(xué)生快速理解電路工作原理，了解相關(guān)器件的作用、掌握參數(shù)的調(diào)整、電量的測量方法等。模擬電子技術(shù)的主要教學(xué)內(nèi)容是采用工程近似法對非線性器件二極管和三極管構(gòu)成的單級、多級放大電路及集成放大電路的工作原理和性能指標(biāo)的分析計(jì)算。我們利用proteus的ISIS編輯環(huán)境功能結(jié)合教材上的電路，搭建了各個章節(jié)中的主要基本單元電路的仿真原理電路，在相關(guān)教學(xué)內(nèi)容中盡量充分利用仿真電路增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果。例如在講解固定偏流共射組態(tài)放大電路時，結(jié)合圖1，分析了電路的靜態(tài)、動態(tài)工作原理，利用交互式仿真功能，在斷開vi時，調(diào)整相關(guān)器件參數(shù)，在虛擬電壓表、電流表上觀察Q點(diǎn)相關(guān)電量的值的變化。在加入vi時，利用示波器或通過添加探針，利用模擬圖表觀察輸入輸出波形放大情況和相位關(guān)系，同時還可以通過改變輸入信號幅度或元件參數(shù)大小分析輸出動態(tài)范圍，觀察飽和、截止失真，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時，能夠感受實(shí)驗(yàn)操作的生動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并加快知識的掌握，為實(shí)驗(yàn)課程做好鋪墊，避免學(xué)生在用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，不明就里，只按照指導(dǎo)書盲目接線測量。

在數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)中，proteus的仿真作用更加有效和形象直觀。在基本邏輯門電路、門電路或集成電路構(gòu)成的組合電路、時序電路、波形產(chǎn)生及電源電路的教學(xué)過程中，都融入了仿真電路運(yùn)行演示，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，并且設(shè)計(jì)了有關(guān)單元電路的綜合應(yīng)用電路。例如，在講完編碼器、顯示譯碼器后，仿真演示了如圖2所示的組合應(yīng)用電路，該電路能將BCD優(yōu)先編碼器74LS147的最高編碼通過顯示譯碼器74LS48驅(qū)動顯示在數(shù)碼管上，同時也可以改變譯碼器的控制信號狀態(tài)，展示74LS48的功能，使學(xué)生對單元電路的原理、應(yīng)用、接口、系統(tǒng)性有了更深入的理解。

又如，對于利用加法器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算的應(yīng)用，我們設(shè)計(jì)了圖3所示的電路，說明了加法器的應(yīng)用及有符號數(shù)的補(bǔ)碼、原碼之間的關(guān)系，該電路可以將兩個4位二進(jìn)制數(shù)的差以原碼的方式輸出。

作業(yè)是學(xué)生鞏固課堂所學(xué)知識不可或缺的環(huán)節(jié)，在布置作業(yè)時，我們建議學(xué)生對于設(shè)計(jì)性的題目利用仿真軟件完成，加強(qiáng)電路設(shè)計(jì)、原理、功能等方面的理解。

2.利用proteus輔助實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)。雖然模電、數(shù)電實(shí)驗(yàn)都有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱，但是硬件是固定的，實(shí)驗(yàn)課時是有限的，并且必須在規(guī)定的時間地點(diǎn)進(jìn)行。而proteus卻可以不受時間場地的限制，器件選擇上也更具靈活便利性，雖然不能代替硬件實(shí)驗(yàn)，卻是很好的輔助工具。在實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上，我們鼓勵學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)教材，利用proteus軟件設(shè)計(jì)調(diào)試沒有安排進(jìn)實(shí)驗(yàn)課的有關(guān)電路，不少學(xué)生都根據(jù)自己的興趣愛好設(shè)計(jì)調(diào)試了相關(guān)電路，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。課程設(shè)計(jì)安排在理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)課結(jié)束之后，是電子技術(shù)課程重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，經(jīng)過前兩個教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步具備了分析設(shè)計(jì)、調(diào)試基本單元電路的能力。綜合考慮系統(tǒng)性、實(shí)用性、啟發(fā)性等因素，我們給學(xué)生提供了多個難度適中的選題，學(xué)生也可以自行選擇合適的選題。要求學(xué)生首先利用proteus軟件仿真電路，充分理解系統(tǒng)電路的工作原理，再安裝制作、調(diào)試實(shí)際硬件電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，PCB板的設(shè)計(jì)也最好利用proteus的ARES模塊實(shí)現(xiàn)。學(xué)生按要求歷經(jīng)基于仿真基礎(chǔ)上的綜合應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)、分析、安裝調(diào)試硬件電路的過程，進(jìn)一步鞏固了基本單元電路的掌握和應(yīng)用，增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力與綜合分析問題、解決問題的能力，收獲很大。

四、結(jié)語

在電子技術(shù)課程教學(xué)中，利用仿真軟件將理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，提高了電子技術(shù)課程的教學(xué)效果，開發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛在能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，開拓了學(xué)生的視野，增強(qiáng)了學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力和實(shí)際動手能力，為后續(xù)高頻電路、單片機(jī)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及參加電子設(shè)計(jì)競賽等奠定了夯實(shí)的基礎(chǔ)。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，我們將更加深入地研究、探索更加行之有效的教學(xué)方法。

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作者簡介：孟哲（1963-），碩士，副教授，研究方向?yàn)樾盘柌杉c處理。