Proteus在模擬電子技術教學中的應用

侯向鋒,周兆豐

(1.湖北師范學院 物理與電子科學學院,湖北 黃石 435002；2.湖北師范學院 電工電子實驗教學示范中心，湖北 黃石 435002)

0 引言

《模擬電子技術》是電信類專業的一門十分重要的專業基礎課程。隨著電子工業的飛速發展和計算機技術的迅速普及，它也不斷成為幾乎所有理工科學生的必修課程。它既有自身的理論體系，又有很強的實踐性。其目的和任務是讓學生獲得模擬電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力，為今后進一步學習、研究、應用電子技術打下基礎。

《模擬電子技術》由于內容抽象且與實際應用聯系非常緊密，導致目前的教學模式受到各種條件的限制。在理論教學中，如果采用板書畫圖講解，費時耗力，教學效率低；如果采用PPT講授，提高了教學效率，但是學生印象不深刻。在實驗教學中，如果采用分立器件，學生會把大部分時間浪費在搭建電路上，幾乎沒有時間思考電路的設計，影響學生做實驗的積極性；如果采用集成的實驗箱，學生很難在實驗室外進行實驗操作，極大地限制了學生的實際動手能力。為了解決這些問題，很多任課老師在教學中引入了仿真軟件，取得了一定的效果。因此，將仿真技術應用于《模擬電子技術》的教學中是一個值得研究的課題。

目前流行的仿真軟件有Multisim、SPICE、Quartus Ⅱ、Proteus等，并且都已應用于電信類課程的教學中。其中Multisim主要應用于電路分析課程中，SPICE主要應用于模擬電子技術課程中，Quartus Ⅱ主要應用于數字電子技術課程中，Proteus主要應用于單片機課程中。但是，這樣會使學生還沒有熟練掌握一款仿真軟件，就又要學習另一款仿真軟件，加重了學生的學習負擔。仿真軟件Proteus已經應用到我院單片機課程中，有效地解決了單片機課程理論抽象難懂、實驗設備不足、理論與實踐脫鉤等問題。Proteus具有強大的功能，幾乎可以貫穿所有電信類專業核心課程的教學和實驗，如模擬電子技術、數字電子技術、單片機以及嵌入式系統等。同時，可以讓學生在掌握一種仿真軟件后，能夠運用于多門課程的學習中，減輕學生負擔。根據我校的教學條件，本文探索仿真軟件Proteus在《模擬電子技術》教學中的應用。

1 軟件介紹

仿真軟件Proteus是一款來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件。該軟件主要用于電路分析與實物仿真以及印制電路板的設計，它可以仿真、分析各種模擬電路與集成電路，軟件提供了大量模擬與數字元器件及外部設備，各種虛擬儀器(如電壓表、電流表、示波器、邏輯分析儀、信號發生器等)，它具有對單片機及其外圍電路組成的綜合系統的交互仿真功能。Proteus除了具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動的。針對微處理器的應用，它還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現軟件源碼級的實時調試。Proteus還組合了高級原理布圖、混合模式SPICE仿真,PCB設計以及自動布線來實現一個完整的電子設計系統[1]。Proteus能夠很容易地為用戶建立完備的電子設計開發環境。

Proteus軟件的特點是：1)實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動態仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真的功能。2)支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3)提供軟件調試功能。在該軟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，同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil C51 uVision2等軟件。4)具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大[2]。

仿真軟件Proteus安裝后，主要由兩個程序組成：ARES和ISIS.前者主要用于PCB自動或人工布線及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進行相應的仿真。除了上述基本應用之處，Proteus可以直接實時動態地模擬按鍵、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具如過濾器、邏輯分析儀進行相應的測量和觀測[3]。仿真軟件Proteus非常適合教學，是一個巨大的教學資源，它不僅可以應用到模擬電子技術、數字電子技術、單片機以及嵌入式系統等課程的教學中，而且可以應用到創新實驗、畢業設計、電子競賽中。

2 理論教學

將仿真軟件Proteus應用到《模擬電子技術》的理論教學中，就相當于把實驗室搬到了課堂上。這樣，任課老師可以在上課過程中把《模擬電子技術》中的基本的器件展示給同學們，還可以把基本電路的分析過程、分析結果、設計過程等一步步地演示給同學們。原來用語言不便描述的內容就能直觀地展現出來，需要復雜演算才能得出的結論就能直接反映出來，增強了教學的直觀性和生動性。課堂教學中采用Proteus，就省去了枯燥無味的理論推導，節約時間的同時，卻加深了學生對《模擬電子技術》理論內容的理解，從而在教學中起到實質性的突破。

在《模擬電子技術》的理論教學中引入Proteus，更有利于任課老師解決教學重點和難點。在《模擬電子技術》的教學中，放大電路靜態工作點的設置和動態參數的估算等既是教學重點也是教學難點。傳統的教學方法總是讓學生只知道二極管、雙極結型三極管、場效應管等這些器件名字及基本原理，但是學生不清楚有什么用，更不知道怎么用這些器件組成特定功能的模擬電路。但是借助于Proteus，就能讓學生很好地理解這些問題。

在放大電路中，靜態工作點是很重要的，它不但決定了放大電路是否會產生失真，而且還影響到電路的動態性能，如電壓增益、輸入電阻等，所以在設計或調試放大電路時，為獲得較好的性能，必須首先設置一個合適且穩定的靜態工作點[4]。下面以圖1中基本共發射極放大電路的靜態工作點的設置為例進行說明。

圖1 基本共射極放大電路

設置靜態工作點，其實就是通過外圍電路使雙極結型三極管Q1處于放大工作狀態。圖1中電源電壓VCC=10V，Q1的集電極靜態工作電流ICQ=1mA，那么只需確定電阻Rb和Rc的值。要想確定Rb和Rc的電阻值，必須首先知道Q1的β值。同一型號的兩個不同的雙極結型三極管的β值也不一定相同，而且這個器件的數據手冊上也只能給出一個范圍，比如雙極結型三極管2N3904的β值在30到300之間。那么怎么確定一個雙極結型三極管的β值呢？在傳統的上課方式中，很多學生學完了模擬電子技術都不知道怎么處理。現在任課老師可以在仿真環境Proteus中進行現場演示，給學生一個深刻的印象。通常采用基本共發射極放大電路確定雙極結型三極管的β值，如圖2所示。為了得到輸出電壓的最大動態范圍，靜態工作點應該設置在交流負載線的中點，也就是說集電極靜態工作電壓VCQ=VCC/2=5V.所以VRC=Rc×ICQ=VCC/2=5V，Rc=5KΩ.然后調整Rb，借助于Proteus中的電壓測量探針和電流測量探針監測Q1的基極電壓VBQ、基極電流IBQ、集電極電壓VCQ和集電極電流ICQ，使集電極電流ICQ基本為1mA，集電極電壓VCQ約為5V，仿真結果如圖3所示。雙極結型三極管的β值為此時的集電極電流ICQ與基極電流之比IBQ，即β=ICQ/IBQ=0.00100249/7.18126e-6≈140.最后就可以根據ICQ和β計算出Rb，即Rb=(VCC-VBE)/IBQ=(VCC-VBE)β/ICQ≈1.3MΩ.經過分析，圖1電路中的參數都確定下來。最后，給設計好的放大電路提供一個峰值為6mV、頻率為1KHz的正弦信號，并用示波器觀察輸入信號和輸出信號的波形，演示結果如圖4所示。

圖2 β值測量電路 圖3 靜態工作點仿真結果

圖4 演示結果

課堂上，學生通過老師在仿真環境Proteus中的每一步操作以及演示結果，就能深刻理解放大電路靜態工作點的重要性，熟練掌握放大電路靜態工作點的設置方法。將仿真軟件引入《模擬電子技術》理論教學中，模擬電路、電路中各個關鍵點的電壓、關健支路的電流以及輸入信號、輸出信號的波形都能形象地展現在屏幕上，使學生有一個直觀的感覺。這不僅使抽象的理論簡單化、平面的電路立體化，而且使教學過程生動化，促進學生對知識的記憶和理解。在《模擬電子技術》理論教學中引入Proteus，激發了學生的學習興趣，提高了教學質量和教學效率，此外，還起到了理論與實踐相結合的作用。

3 實驗教學

目前，我校的《模擬電子技術》實驗課主要有兩種模式，一種是采用分立器件，另一種是采用模塊化的實驗箱。前一種上課模式，學生整體感覺實驗時間不夠用，收獲不大，因為他們把大部分時間用到了連接電路上，卻沒有時間考慮如何設計電路；老師要忙著提供元器件，還要課外再給學生提供實驗環境；元件損耗很大。后一種上課模式，學生雖然能很快做出實驗結果，但是很難搞懂電路的內部結構，一知半解，而且學生很難在課外時間進行實驗操作。

將仿真軟件Proteus應用到《模擬電子技術》的實驗教學中，解決了上面兩種教學模式的問題，打破了學生做實驗的時間限制和空間限制。在預習實驗時，學生就可以在自己的電腦上裝上仿真軟件Proteus進行仿真設計，以提高實驗課上的效率和降低元件、儀器等的損耗。實驗課后，不太理解的地方，學生也可以通過仿真來進一步進行操作。總之，只要有一臺電腦，學生就可以隨時在自己的電腦上進行仿真實驗。

除了基本的實驗外，老師可以布置一些設計項目，比如設計正弦信號發生器、串聯反饋式直流穩壓電源。在經濟上不需要額外投入的情況下，學生就可以根據知識的掌握程度自選設計題目，在Proteus環境中進行仿真設計。等仿真設計成功后，再購買或領取元器件、焊接電路、調試電路等。

此外，老師還可以指導學生應用Proteus仿真軟件開展課程設計和畢業設計，提高學生參加大學生電子設計競賽的能力。總之，仿真軟件Proteus應用到在《模擬電子技術》實驗教學中是可行的，可以達到良好的教學效果。它克服了目前實驗中元件損耗大、實驗箱中硬件電路固定、學生不能更改、實驗內容固定等方面的局限性，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣，鍛煉了學生解決實踐工程問題的能力。

4 結束語

《模擬電子技術》的理論教學中采用仿真軟件Proteus，任課老師可以在課堂上模擬實際電路的設計與搭建過程，有利于提高學生的學習興趣和創新能力，有助于學生有效的掌握所學知識，縮短從理論知識到實際應用的過程。

《模擬電子技術》的實驗教學中采用仿真軟件Proteus，起到了很好的輔助作用，既能解決元器件、儀器短缺的問題，又可以培養學生的實際操作能力及技能，提高學習效率。但是仿真軟件Proteus畢竟建立的只是一個虛擬環境，虛擬與現實還是有距離的，只能作為實驗教學的補充。

實踐證明，把Proteus應用到《模擬電子技術》的教學中，充分利用了當今新的教學資源和教學手段，不加重學生的學習負擔，讓理論教學與實驗教學找到新的結合點，達到了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]許文斌.Proteus軟件在單片機系統仿真實驗教學中的應用[J].商業經濟,2006,(3):1～4.

[2]張文濤.Proteus仿真軟件應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.

[3]朱清慧,張鳳蕊,翟天嵩,等.Proteus教程——電子線路設計、制版與仿真[M].北京:清華大學出版社,2008.

[4]康華光.電子技術基礎(數字部分)(第五版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.