Proteus仿真軟件在電工學(xué)中的應(yīng)用

陳知紅， 王錦蘭

(湖北工程學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院， 湖北 孝感 432000)

電工學(xué)是一門非電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，它的主要任務(wù)是為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和從事工程技術(shù)工作打好電工技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并使他們受到必要的基本技能訓(xùn)練[1-2]。電工學(xué)課程內(nèi)容覆蓋面大、信息量廣，教學(xué)內(nèi)容涉及電工電子學(xué)科的各個(gè)方面，電工電子技術(shù)的發(fā)展，新知識(shí)、新技術(shù)、新器件的不斷涌現(xiàn)、學(xué)時(shí)少與內(nèi)容多的矛盾日益成為許多電工類課程教師必須面對(duì)的問題[3-4]。

目前本校電工學(xué)課程選用的教材是秦曾煌主編的《電工學(xué)》第7版，采用高等教育出版社和高等教育音像出版社聯(lián)合出版的《電工學(xué)》配套的教學(xué)課件，其中包括電工技術(shù)、電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)和可編程控制器等方面的知識(shí)。雖然內(nèi)容要求不深，但知識(shí)面廣、信息量大，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)用傳統(tǒng)的多媒體授課方法教學(xué)效果很不理想，學(xué)生感覺抽象、枯燥、概念多。針對(duì)不同專業(yè)和層次學(xué)生要激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)和實(shí)際動(dòng)手能力，就必須從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段上入手。為此，在改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的同時(shí)，在理論課堂上引入Proteus仿真教學(xué)手段，不僅增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生理解枯燥的理論內(nèi)容，而且還可以在很大程度上解決某些因設(shè)備不足或危險(xiǎn)性較大(比如強(qiáng)電實(shí)驗(yàn))難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[5-8]。

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺(tái)由英國Labcenter公司開發(fā)(授權(quán)風(fēng)標(biāo)科技公司為中國大陸的總代理)，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(tái)。Proteus可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和PCB設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(lǐng)先一步的全系列單片機(jī)協(xié)同仿真功能[9-15]。因此可以為學(xué)習(xí)后續(xù)課程——單片機(jī)和ARM打下一定基礎(chǔ)。本文主要介紹Proteus仿真軟件在“電工學(xué)”課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用。

1 Proteus軟件在電工技術(shù)中的應(yīng)用

分析與計(jì)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(yīng)用于結(jié)點(diǎn)，電壓定律應(yīng)用于回路[1]。

KCL是描述電路中與節(jié)點(diǎn)相連的各支路電流間相互關(guān)系的定律，它的基本內(nèi)容是：對(duì)于集總參數(shù)中的任意節(jié)點(diǎn)，在任意時(shí)刻，流出和流入該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。事實(shí)上KCL不僅適用于電路中的結(jié)點(diǎn)，也可以把它推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。下面以驗(yàn)證基爾霍夫定律KCL為例介紹Proteus軟件的應(yīng)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(fù)值，說明實(shí)際電路方向與參考方向相反，即是電流流進(jìn)結(jié)點(diǎn)。通過這種直觀的形式，解除學(xué)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(guān)系的。若從回路中任意一點(diǎn)出發(fā)，以順時(shí)針或逆時(shí)針方向沿回路循行1周，則在這個(gè)方向上的電位降之和應(yīng)該等于電位升之和，當(dāng)回到原來的出發(fā)點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的電位是不會(huì)發(fā)生變化的，并且對(duì)于電路中任一假想的回路KVL也是成立的[1]。以驗(yàn)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(yàn)證了KVL定律。

圖2 KVL電路舉例

從上面的分析可看出：各結(jié)點(diǎn)的電流和各元件的電壓都滿足代數(shù)和的關(guān)系，從仿真實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了基爾霍夫定律定理，由此加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

2 Proteus軟件在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用

放大電路是模擬電子技術(shù)課程的核心。晶體三極管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析和動(dòng)態(tài)性能的研究在電子技術(shù)中是一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，尤其是動(dòng)態(tài)性能分析的是小信號(hào)的放大，在實(shí)際中應(yīng)用十分廣泛[2,16]。利用Proteus軟件對(duì)單管共射放大電路進(jìn)行仿真(三極管型號(hào)為2N5551)可以使學(xué)生更加直觀地理解信號(hào)的放大關(guān)系，以及靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)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(tài)工作點(diǎn)應(yīng)選在輸出特性曲線上交流負(fù)載線的中點(diǎn)。在調(diào)試中把信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波頻率調(diào)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(xiàn)雙頂失真為止，若這個(gè)失真的波形是上下對(duì)稱的，則保持電位器RP的位置不改變；若不對(duì)稱，改變圖3中電位器RP的阻值，使波形對(duì)稱，這時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)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(tài)工作點(diǎn)Q，接下來就可以用電壓表和電流表去測量靜態(tài)工作點(diǎn)的參數(shù)了。在調(diào)試過程中，Q點(diǎn)一定要選擇合適,否則就會(huì)出現(xiàn)失真。圖4為最大不失真電壓輸出時(shí)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(diǎn)上升而導(dǎo)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(diǎn)下降而導(dǎo)致的飽和失真。在課程上進(jìn)行這樣形象的仿真演示，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，活躍了課堂氣氛。

圖4 最大不失真電壓輸出時(shí)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(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容包括邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、脈沖波形產(chǎn)生和變換電路、存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器[2,16]。下面以綜合性課題秒表為例，介紹Proteus軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用。圖7為秒表在Proteus中在線仿真顯示的結(jié)果。

圖7 秒表仿真電路

利用74LS390構(gòu)成60進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，74LS48為顯示譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，2片共陰型數(shù)碼管由74LS48驅(qū)動(dòng)周期顯示十進(jìn)制數(shù)字0～59，計(jì)數(shù)脈沖1 Hz方波由虛擬信號(hào)發(fā)生器提供，脈沖信號(hào)也可以利用555定時(shí)器產(chǎn)生。從圖7的仿真結(jié)果可以看出：將以前枯燥的數(shù)字電路分析和設(shè)計(jì)過程，變?yōu)橹庇^的、形象的視覺效果去展示電路運(yùn)行過程與結(jié)果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)束語

從上面的分析中可以看出：Proteus仿真軟件在電工學(xué)理論課程中的應(yīng)用是對(duì)多媒體課堂教學(xué)的一個(gè)有力補(bǔ)充，為提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力提供了一個(gè)重要的手段。Proteus仿真不僅可以完成課程知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動(dòng)地參與到課堂教學(xué)中來，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。在電工學(xué)課程中引入Proteus，也為繼續(xù)學(xué)習(xí)后續(xù)課程——單片機(jī)和ARM打下了一定的基礎(chǔ)。

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