Proteus仿真軟件在電工學中的應用

陳知紅， 王錦蘭

(湖北工程學院 物理與電子信息工程學院， 湖北 孝感 432000)

電工學是一門非電類專業的基礎課程，它的主要任務是為學生學習專業知識和從事工程技術工作打好電工技術的理論基礎，并使他們受到必要的基本技能訓練[1-2]。電工學課程內容覆蓋面大、信息量廣，教學內容涉及電工電子學科的各個方面，電工電子技術的發展，新知識、新技術、新器件的不斷涌現、學時少與內容多的矛盾日益成為許多電工類課程教師必須面對的問題[3-4]。

目前本校電工學課程選用的教材是秦曾煌主編的《電工學》第7版，采用高等教育出版社和高等教育音像出版社聯合出版的《電工學》配套的教學課件，其中包括電工技術、電子技術、電機學、電力電子技術和可編程控制器等方面的知識。雖然內容要求不深，但知識面廣、信息量大，在有限的學時內用傳統的多媒體授課方法教學效果很不理想，學生感覺抽象、枯燥、概念多。針對不同專業和層次學生要激發他們的學習興趣，培養他們自主學習和實際動手能力，就必須從教學內容、教學方法和教學手段上入手。為此，在改革教學內容和教學方法的同時，在理論課堂上引入Proteus仿真教學手段，不僅增加學生的感性認識，幫助學生理解枯燥的理論內容，而且還可以在很大程度上解決某些因設備不足或危險性較大(比如強電實驗)難以實現的實驗內容[5-8]。

Proteus嵌入式系統仿真與開發平臺由英國Labcenter公司開發(授權風標科技公司為中國大陸的總代理)，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統設計與仿真平臺。Proteus可以實現數字電路、模擬電路及微控制器系統與外設的混合電路系統的電路仿真、軟件仿真、系統協同仿真和PCB設計等全部功能[9]。目前用于電路仿真的EDA軟件主要有Pspice、Multisim、Protel、Matlab和Proteus等，它們都具有各自的特點，而Proteus軟件融合了Multisim、Protel等軟件電路仿真的全部功能之外，還具有領先一步的全系列單片機協同仿真功能[9-15]。因此可以為學習后續課程——單片機和ARM打下一定基礎。本文主要介紹Proteus仿真軟件在“電工學”課程輔助教學中的應用。

1 Proteus軟件在電工技術中的應用

分析與計算電路的基本定律除了歐姆定律外，還有基爾霍夫電流定律(KCL)和電壓定律(KVL)。基爾霍夫電流定律應用于結點，電壓定律應用于回路[1]。

KCL是描述電路中與節點相連的各支路電流間相互關系的定律，它的基本內容是：對于集總參數中的任意節點，在任意時刻，流出和流入該節點電流的代數和等于零。事實上KCL不僅適用于電路中的結點，也可以把它推廣應用于包圍部分電路的任一假設的閉合面。下面以驗證基爾霍夫定律KCL為例介紹Proteus軟件的應用。KCL電路舉例如圖1所示。

圖1 KCL電路舉例

由圖1可知：I1=I3+I2，I1=0.4 A，I2=-0.6 A,I3=1 A。I2是負值，說明實際電路方向與參考方向相反，即是電流流進結點。通過這種直觀的形式，解除學生理解電流方向的困擾。

KVL是用來確定回路中各段電壓間關系的。若從回路中任意一點出發，以順時針或逆時針方向沿回路循行1周，則在這個方向上的電位降之和應該等于電位升之和，當回到原來的出發點時，該點的電位是不會發生變化的，并且對于電路中任一假想的回路KVL也是成立的[1]。以驗證基爾霍夫定律KVL為例，其仿真電路如圖2所示。由圖2可知：U1=8 V，U2=3 V，U3=6 V，回路U1+U2+U5-U4=8+(-3)+9+(-14)=0，仿真驗證了KVL定律。

圖2 KVL電路舉例

從上面的分析可看出：各結點的電流和各元件的電壓都滿足代數和的關系，從仿真實驗的角度驗證了基爾霍夫定律定理，由此加深了學生對知識點的理解和掌握。

2 Proteus軟件在模擬電子技術中的應用

放大電路是模擬電子技術課程的核心。晶體三極管放大電路的靜態工作點分析和動態性能的研究在電子技術中是一個重點內容，尤其是動態性能分析的是小信號的放大，在實際中應用十分廣泛[2,16]。利用Proteus軟件對單管共射放大電路進行仿真(三極管型號為2N5551)可以使學生更加直觀地理解信號的放大關系，以及靜態工作點設置不合適引起的失真。電路如圖3所示。

圖3 單管共射放大電路

為了獲得最大不失真的輸出電壓，靜態工作點應選在輸出特性曲線上交流負載線的中點。在調試中把信號發生器產生的正弦波頻率調為1 kHz，幅值盡可能大，直到觀察到示波器顯示的輸出波形出現雙頂失真為止，若這個失真的波形是上下對稱的，則保持電位器RP的位置不改變；若不對稱，改變圖3中電位器RP的阻值，使波形對稱，這時的靜態工作點才能保證最大不失真的輸出電壓。上述操作的主要目的是尋找放大電路的靜態工作點Q，接下來就可以用電壓表和電流表去測量靜態工作點的參數了。在調試過程中，Q點一定要選擇合適,否則就會出現失真。圖4為最大不失真電壓輸出時輸出與輸入的波形。圖5為截止失真波形，由于RP阻值過大，使Q點上升而導致的截止失真。圖6為飽和失真波形，由于RP阻值過小，使Q點下降而導致的飽和失真。在課程上進行這樣形象的仿真演示，調動了學生的積極性，活躍了課堂氣氛。

圖4 最大不失真電壓輸出時輸出與輸入波形

圖5 截止失真波形

圖6 飽和失真波形

3 Proteus軟件在數字電子技術中的應用

數字電子技術基礎主要內容包括邏輯代數基礎、門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖波形產生和變換電路、存儲器、數模轉換器、模數轉換器[2,16]。下面以綜合性課題秒表為例，介紹Proteus軟件在數字電子技術教學中的應用。圖7為秒表在Proteus中在線仿真顯示的結果。

圖7 秒表仿真電路

利用74LS390構成60進制加計數器，74LS48為顯示譯碼驅動芯片，2片共陰型數碼管由74LS48驅動周期顯示十進制數字0～59，計數脈沖1 Hz方波由虛擬信號發生器提供，脈沖信號也可以利用555定時器產生。從圖7的仿真結果可以看出：將以前枯燥的數字電路分析和設計過程，變為直觀的、形象的視覺效果去展示電路運行過程與結果，激發了學生的學習興趣，鍛煉了學生的綜合素質。

4 結束語

從上面的分析中可以看出：Proteus仿真軟件在電工學理論課程中的應用是對多媒體課堂教學的一個有力補充，為提高學生分析問題、解決問題的能力提供了一個重要的手段。Proteus仿真不僅可以完成課程知識點的驗證，而且激發了學生的學習興趣，使學生主動地參與到課堂教學中來，大大提高了教學質量。在電工學課程中引入Proteus，也為繼續學習后續課程——單片機和ARM打下了一定的基礎。

[1] 秦曾煌，姜三勇.電工學[M].北京：高等教育出版社，2010.

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