Proteus在電子技術課程教學中的應用研究

賈萍

[摘? ? 要] Proteus是當今主流的電子線路設計與模擬仿真的軟件。文章主要介紹了Proteus的特點及優勢，以電子技術課程為例，探討了Proteus在電子專業課程教學中的應用以及對教學的幫助。

[關鍵詞]? Proteus;實驗;仿真;電路

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 097

[中圖分類號] G647? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2020）15- 0234- 02

0? ? ? 前? ? 言

電子信息類專業是高等院校開設的培養應用型技術人才的工科專業，學生的動手實踐能力和創新能力與就業率及就業質量息息相關。為了提高學生的實踐動手能力，必須加強相關的實踐教學環節。在傳統的教學過程中，電子信息學科的關鍵課程如電路分析、模擬電子技術、數字電子技術等大多采用“理論課+實驗課”的教學模式[1]。這種傳統教學模式存在很多問題：理論課程與實踐課程很難同步進行，理論教學內容抽象，學生難以理解和接受;理論課上只能用板書畫圖或者PPT動畫來講解元件特性、電路原理等內容，耗時費力，教學效率低;實驗教學則以現成的實驗臺為主，實驗單一，且時常由于錯誤連線導致元件毀壞，浪費了寶貴的實驗時間。同時，實驗元件和實驗項目老舊，學生很難對實驗產生興趣，只會單純地按照實驗指導書的內容進行實驗，缺少自己的思考，限制了學生的創新能力。因此，如何改進電子類課程的教學手段是擺在眾多教師面前的一道難題。

1? ? ? ?Proteus介紹

自20世紀80年代起，各種電子設計自動化（Electronic Design Automalion，EDA）軟件開始出現在大眾的視野中，它們特點鮮明，操作簡便，使電路設計方法得到了徹底的改變。由于EDA軟件具有界面簡潔，修改方便，操作容易，測量簡單，元件庫豐富等特點，所以逐漸從專業的電路繪制軟件發展應用到電子信息教學當中。Proteus是20世紀末Labcenter Electronics公司所開發的一種電子設計自動化工具軟件。Proteus的功能十分豐富，它既是電路設計軟件，也是設計印制電路板軟件，并且可以進行電路模擬仿真。它不僅能夠對電工、電子技術學科涉及的電路進行設計與分析，還能夠對微處理器進行設計和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設計愛好者青睞的一款新型電子線路設計與仿真軟件[2]。

Proteus的特點有：①它可以模擬單片機與單片機外部的電子設備一起仿真，可以實時采用諸如LED/LCD顯示器、鍵盤、RS232終端等動態外設模型來對設計進行仿真。②提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態[3]。③可以使用第三方軟件如Keil，IAR等軟件來進行單片機程序的編譯和調試。

2? ? ? Proteus在教學中應用的優勢

應用Proteus，教師可以詳盡地展示電路的搭建與運行方式，信號的傳播過程，并且可以以圖形方式來顯示線路上信號的實時變化，并且Proteus可以在教學中使用軟件的仿真功能來展示元件在不同工況下的性能，使學生們能更直觀地看見元件運行的狀態，使得學生們能充分理解元件的工作原理及特性。利用Proteus的仿真，在理論課程中穿插實驗內容，加深學生對于元件功能和電路構建方式的理解，提高了學生對電路理論知識的掌握程度，并且Proteus可以很簡單地通過改變電路元件的參數來調整電路的性能，實驗過程既簡單又方便，是傳統的實驗臺無法做到的。同時，Proteus豐富的元件庫使學生們的設計不僅僅局限于書本上的實驗，也可以根據自己的興趣自行設計一些有趣的電路。由于Proteus可以在電路中添加各種測量儀器，在進行仿真時可以更加清晰地看到信號波形曲線，各種參數曲線，以及電路運行現象，為調試改進電路提供了傳統電子實驗臺無法提供的便利條件。在實驗課上，由于使用的芯片引腳很多，常常會有同學因為漏焊、虛焊、搭錫或者數錯引腳造成電路無法正常運行，而Proteus仿真軟件很好地解決了這一問題，而且可以用仿真模擬出錯誤焊接導致的現象，加深學生們對電路的理解。

3? ? ? Proteus在電子技術課程教學中的應用

Proteus仿真軟件能夠對大量的集成電路和數字電路進行仿真，其在對電子設備的動態仿真方面是其他仿真軟件所不能比擬的，效果十分真實，并且支持多種微處理器和控制器的仿真。Proteus共有兩大模塊，分別是ISIS和ARES。其中ISIS用于設計和修改電路的原理圖、配置外部代碼編譯器、編寫程序源代碼及運行仿真與調試;ARES則主要應用于印制電路板的設計。Proteus可以直接與Keil等軟件無縫對接，實現對代碼的實時觀察與編輯，仿真結果顯示直觀明了，提高了教學的效率。根據筆者所在學院的教學現狀，下面對Proteus在電子技術課程教學中的應用進行說明。

以設計溫度檢測報警系統實驗為例，實驗要求以數字的形式顯示傳感器當前溫度，并且在達到特定溫度的時候會報警提示。設計中需要把溫度信號轉換為電信號，再將電信號轉換為數字信號，以數字的形式表現出來。采用傳統實驗方式時，通常需要先繪制原理圖，根據原理圖選購所需元件，完成電路板的布局、焊接、調試。對于原理圖中相對復雜的電路，首先要考慮電路的布局。由于受到電路板尺寸的限制，整個電路板的布局變得至關重要，在布局時需要盡量選擇連接最少的導線，這樣可以減少焊接的時間。大多數同學都是直接按照給定的原理圖進行布局，并沒有考慮到實際電路的連接情況。在使用Proteus繪制原理圖時，可以對整個電路進行合理布局后優化設計。在調試過程中，經常會遇到焊接導線脫落、元件燒壞等情況，加大了調試的難度。利用Proteus調試電路時，可以排除外部環境因素進行電路的仿真。仿真片段如圖1所示。

溫度檢測報警系統分為溫度傳感器模塊、電壓放大模塊、電壓比較模塊、模數轉換模塊和報警模塊五部分。在仿真電路中，調節溫度傳感器兩端的電壓可以改變溫度，這樣溫度便以電信號的方式傳遞出去，通過運算放大器把電壓放大并送到電壓比較器中，再通過改變滑動變阻器的阻值改變此時的電壓。經過電壓比較器的輸出信號傳輸到報警模塊中的三極管上，三極管的工作狀態決定蜂鳴器是否報警;溫度傳感器的電信號傳輸到模數轉換器上，通過模數轉換器把電信號轉化為數字信號，從而點亮七段數碼管。通過滑動變阻器的阻值變化改變模數轉換器上的電壓，最終改變數碼管上的數值。所有調試與修改，電路的仿真運行都可通過Proteus在電腦上實現，最后再根據實驗結果進行元件的選購，電路的焊接與調試。由于Proteus仿真結果十分直觀，便于學生們發現電路中的錯誤，提高了學生們的實驗效率，同時可以參考仿真結果以避免由于不良元件造成的電路問題。

4? ? ? 總? ? 結

Proteus以其強大的繪圖與仿真能力為我們提供了有別于傳統教學與實驗的新型教學方法。它可以直觀地展示各種電子元件的運行方式，加深學生們對基本元件的理解;簡化實驗的步驟，可以做到先把電路圖修改完畢再進行最后的實物焊接，提升了學生們實驗的效率。實際電路運行時表現出的各種電氣特征是由芯片、元器件、電路連線、運行環境等多種因素共同決定的[4]。Proteus排除了外界因素，是在理想環境下通過軟件模擬這些電路特性，應用Proteus進行仿真與實際操作差別很小，可以完美地把理論應用到實踐中。

主要參考文獻

[1]彭麗萍，陳煒，劉平英.Proteus在電子技術課程中的應用[J].價值工程，2011（24）：163-164.

[2]朱清慧，張鳳蕊，翟天松，等.Proteus教程：電子線路設計、制版與仿真[M].第3版.北京：清華大學出版社，2016：1.

[3]江維，吳雨川，李紅軍.基于PROTEUS和MDK的嵌入式虛擬實驗室構建[J].武漢紡織大學學報，2018（5）：22-25.

[4]潘輝.Proteus虛擬實驗環境在單片機教學中的應用[J].計算機教育，2010（20）：143-146.