Proteus在設計型電子實驗中的應用

李定珍 樊京 朱清慧

摘要：本文以單管共射放大電路為例，詳細介紹了用Proteus進行設計型電子實驗的仿真應用實踐過程。實現了以產出為導向的OBE理念教學，提高了學生實踐創新能力。實踐表明：將Proteus應用于設計型電子實驗教學，是一種提高設計型實驗效率、培養卓越工程師的有效方法。

關鍵詞：設計型實驗；Proteus仿真；單管共射放大電路；創新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）46-0267-02

一、引言

電子實驗是理論知識的重要補充，其綜合設計型實驗更能鍛煉學生的多方面素質和創新能力[1]。但學生在初設計電路時，常思慮不周，所用元件參數、規格等不合要求，甚至出現短路、斷路及其他事故。若用這樣的電路直接進行實驗，常會對元件、設備造成很大傷害[2]。因此必須探索有效的方法改善現狀。Proteus仿真軟件具有豐富的元件庫和強大的虛擬測試儀器、儀表，工作界面形象、直觀，便于直接觀察、測試、顯示電路中各點電壓、電流波形和參數[3]。若將Proteus應用于電子設計型實驗，則既能提高學生的基礎實驗設計效率，也可以緩解電子元件、設備不足帶來的困境。在電路中若設置故障，采用OBE理念教學，通過故障分析及排除，來加強學生獨立分析問題、排除電路故障、解決問題的能力[4]，并提高其創新設計能力。

二、單管共射放大電路設計實例

（一）電路工作狀況及性能要求

設計的單管共射放大電路如圖1所示。各組成部分及作用如下：電源UCC與RB1、RB2的作用是使發射結正偏，并提供大小合適的IB；UCC為電路提供能量，并保證集電結反偏；這時晶體管工作在放大區，滿足iC=b*iB。RC將晶體管的電流變化轉變為電壓變化。C1、C2為耦合電容，隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯系，同時使交流信號順利輸入與輸出。

電路工作狀況：ui=0時，為靜態工作狀態，各電壓、電流均為直流。ui≠0時，電路為動態工作狀態，各電壓、電流波形如圖2所示。ui、uo為交流信號，而uBE、iB、iC、uCE均為交直流混合信號。電路性能要求：電壓放大倍數Au≥30，輸入電阻Ri>1kΩ，輸出電阻Ro<3kΩ，下限截止頻率fL<100Hz，上限截止頻率fH>100kHz，電路穩定性好。

（二）構建仿真模型

根據Q點的U和I選擇RB1和RB2，由fL、fH選擇C1=100μF、C2=100μF，并由IB=40 ～60μA的工作狀態確定RE和CE。在Proteus中選擇所需元件，建立單管共射放大電路仿真模型如圖3所示。以晶體管2N5551為核心元件，已知參數為：UCC=+12V，RL=2.4kΩ，ui=6～18mV，RS=10kΩ。設ui為6mV、1kHz的交流正弦信號，進行仿真，可得圖4所示ui、uo仿真波形。其中幅值小的信號是ui，幅值大的信號是uo。

（三）確定仿真方案及數據分析

調節RB1，建立合適的Q，參數分別為IB=50μA，IC=6.12mA，UCE=6.2V。輸入ui幅值為6mV時，改變其頻率，可得f=100Hz時，uo=195mV，Au=uo/ui=32.5；f=1kHz時，uo=210mV，Au=35；f=10kHz時，uo=210mV，Au=35；f=100kHz時，uo=180mV，Au=30；得到的波形為正弦波。由此可知，設計的電路在額定輸入下的Au均大于30，且較穩定，在fL=100Hz處的Au=32.5和在fH=100kHz處的Au=30，也滿足設計要求。

（四）電路故障對Au影響的仿真分析

當ui=110mV，fs=1kHz時，設置四種故障，分別是Q過低、Q過高、CE開路、RL是否接入。測試的數據計入表1。分析表1可知：Q過低時，Au明顯下降，僅為2.4，Uo波形發生截止失真；Q過高時，Uo波形出現明顯飽和失真，但Au下降得沒有截止失真厲害；而在CE開路時，輸出很小，僅為40mV，這是由于RE上的交流壓降使輸出減小過多，大大降低了Au。接入RL，則比RL開路時輸出減小很多，只有710mV，Au=6.5。

三、結論

通過設計電子實驗電路、構建仿真模型及確定元件參數，到最后的數據波形及結果分析，可以得出：利用Proteus進行電子設計型實驗，能方便地調節電路參數，直觀觀察電參量波形，測試電路的特征參數，滿足電路性能要求。對電路的故障分析及排除，有助于提高學生獨立思考及判斷能力。應用Proteus，學生可分析、研究各種電子電路，不受場地、環境、設備限制，充分發揮其主觀能動性，進一步加強了學生分析問題、解決問題的能力，培養了學生自主創新精神，提高了自主創新設計能力，為培養卓越工程師打下扎實的基礎。

參考文獻：

[1]張海丹，鮑虎，張樹森.模擬電路多參數靈敏度分析[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2013，32（09）：1278-1281.

[2]令狐昌偉.電子電路故障預測難點與發展趨勢[J].科技信息，2013，09（25）：257

[3]王雅楠.遠程網絡虛擬電子實驗平臺的設計與實現[D].西北師范大學，2014.

[4]顧佩華，胡文龍.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式——汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014，（01）：27-37.