Proteus仿真軟件在電子實驗教學(xué)中的應(yīng)用

朱高峰 張艷蕾

湖南人文科技學(xué)院信息學(xué)院 湖南婁底 417000

實驗教學(xué)是高校培養(yǎng)學(xué)生能力的一個重要手段，但傳統(tǒng)的電子實驗教學(xué)存在以下問題。(1)普遍存在上課人數(shù)過多，但實驗儀器陳舊、種類和數(shù)量有限。(2)實驗指導(dǎo)教師人數(shù)比較緊缺，實驗開放和課時非常有限。(3)實驗過程主要包括教師示范講解、學(xué)生實驗操作、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)等，學(xué)生處于被動地位。近年來，隨著教育教學(xué)改革的不斷深化，虛擬實驗正逐漸配套使用，以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，如Proteus仿真軟件已逐漸引入電子專業(yè)教學(xué)體系中[1]，是對傳統(tǒng)電子實踐教學(xué)的重要補充，能顯著提高學(xué)生的實踐興趣和開發(fā)設(shè)計能力。

1 虛擬仿真軟件Proteus

Proteus軟件是由Labcenter公司開發(fā)的EDA工具，作為一個完整的嵌入式的硬、軟件系統(tǒng)設(shè)計仿真平臺，經(jīng)過了近二十年的使用、發(fā)展和完善，功能越來越強大，性能越來越好。軟件主要由ARES和ISIS兩個程序模塊組成[2]，前者是對設(shè)計好的電路進行PCB自動或人工布線，后者是繪制電子線路并進行相應(yīng)仿真，其基本體系如表1所示。

表1 Proteus結(jié)構(gòu)體系

2 實驗應(yīng)用舉例

2.1 模擬電子實驗—分壓式偏置放大電路

此實驗的主要目的是設(shè)計一個分壓式穩(wěn)定放大電路，理解靜態(tài)工作點的變化影響及放大倍數(shù)含義。適當選擇電路結(jié)構(gòu)及元器件參數(shù)，利用Proteus軟件提供的虛擬儀器，設(shè)計電路連接如圖1所示。

圖1 分壓式偏置放大電路圖

通過Proteus提供的虛擬示波器(Oscilloscope)可以清楚地看到通道B的輸入波形和通道A的輸出波形(如圖2所示)。放大電路的輸入信號峰值為2 mV，輸出波形的峰值為300 mV，從而可以計算出這個放大電路的放大倍數(shù)是150，同時也可以清楚看到反相的輸入輸出波形，在仿真過程中只要按下負載電阻RL下面的按鈕便可看到輸出波形幅值在虛擬示波器上的變化，如把輸入信號的峰值增加到一定程度后亦可以看到失真現(xiàn)象。

圖2 虛擬示波器輸入輸出波形

2.2 數(shù)字電子實驗—數(shù)字鐘實驗

此實驗的主要目的是理解數(shù)字鐘的工作原理，掌握數(shù)碼管、譯碼器及一些中小規(guī)模器件的邏輯功能和使用方法。適當選擇電路結(jié)構(gòu)及元器件參數(shù)，利用Proteus軟件提供的虛擬儀器，設(shè)計電路連接如圖3所示。

數(shù)字電子鐘由信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器、LED數(shù)碼管、校時電路、整點報時電路等組成。時鐘源產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號，振蕩頻率為1 Hz，作為數(shù)字鐘的時間基準，秒計數(shù)器每次累計60秒則發(fā)出一個“分脈沖”的信號，“分計數(shù)器”也采用60進制，每累計達到60分就發(fā)出一個“時脈沖”的信號，“時計數(shù)器”采用了24進制。整個電路中主要包括555定時器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管及一些組合邏輯電路，通過Proteus軟件可以方便更換元器件、更改跳線、參數(shù)設(shè)置及調(diào)試等，模塊化設(shè)計理念容易滿足學(xué)生的創(chuàng)新性要求。

圖3 數(shù)字電子實驗—數(shù)字鐘實驗仿真界面

2.3 單片機實驗—模擬交通燈

此實驗的主要目的是理解單片機中斷的工作機理、內(nèi)部定時/計數(shù)器的工作方式及中斷服務(wù)子程序的設(shè)計。適當選擇電路結(jié)構(gòu)及元器件參數(shù)，利用Proteus軟件提供的虛擬儀器，設(shè)計電路連接及仿真如圖4所示。用發(fā)光二極管模擬交通信號燈，用按鍵開關(guān)模擬車輛檢測信號。正常情況下，東西、南北兩車道輪流放行。東西車道放行50 s，其中5 s用于警告，南北車道放行30 s，其中5 s用于警告。

圖4 交通燈仿真電路運行效果圖

在Proteus中，可以直接與Keil編程軟件進行聯(lián)調(diào)，從而方便程序的修改和調(diào)試。在Proteus仿真界面中，能非常清楚直觀看到系統(tǒng)軟硬件運行的結(jié)果，并可自行設(shè)置斷點、改變延時時間等條件，根據(jù)輸入輸出效果來判斷程序結(jié)構(gòu)和運行情況。如發(fā)光二極管出現(xiàn)不穩(wěn)定的閃爍，可以重點分析延時時間是否過短、中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)了現(xiàn)場保護等，從而可將驗證型實驗拓展成設(shè)計型實驗。

3 結(jié)語

實踐證明，將Proteus軟件引入我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的電子實驗教學(xué)中，能豐富多媒體教學(xué)內(nèi)容，有效激發(fā)學(xué)生實驗興趣，同時節(jié)約教學(xué)成本，提高實驗開發(fā)效率。但對實驗指導(dǎo)教師也提出了更高的要求，要求教師精通Proteus軟件應(yīng)用，具有廣泛的實驗項目設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗，靈活運用Proteus軟件與學(xué)生互動，才能達到更好的實驗效果。

參考文獻

[1]朱高峰,張艷蕾.項目教學(xué)法在單片機課程中的規(guī)劃與實施[J].湖南人文科技學(xué)院學(xué)報,2013(2):117-119.

[2]周潤景,張麗娜.基于PROTEUS電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.