模擬電子技術教學思考
——PROTEUS仿真軟件的應用

鄭子超

（南京工程學院 工業中心、創新創業學院 江蘇 南京 211167）

引言

進入21世紀以來，隨著智能化、信息化的進一步發展，電子技術與電子設備在各行各業應用愈加廣泛，作用愈加重要；高校里，傳統意義上的工科非電類專業也應用到更多的電學知識和實驗設備。因此在各大院校中，幾乎所有的工科專業，都普遍開設了電工電子技術類課程，模擬電子技術是其中一門非常重要的專業基礎課。這門課程的工程性非常強，內容抽象且邏輯體系嚴密，底層機理又較為復雜，因此在教學活動中，學生普遍認為該門課程難度太大，不好掌握。為了改進教學效果，降低學習難度，提高學生的學習積極性，我們在教學中引入了Proteus仿真軟件，作為線上和線下教學相結合、虛擬與實際相驗證的一種有效手段；也是新工科背景下，引入先進的技術手段，將虛擬仿真實驗室帶入日常教學的一次實踐。在理論教學環節和實踐教學環節都引入了該仿真軟件，事實證明這種模式豐富了教學手段，提高了學習興趣，降低了學習難度和實驗成本，取得了良好的教學效果。

一、Proteus虛擬仿真技術在模擬電子技術教學中的應用

Proteus 是當今最為流行的EDA工具（仿真軟件）之一，從原理圖設計到程序調試乃至于MPU與外圍電路的聯合仿真，以及PCB設計，都可以實現，完成了從概念到產品的整個流程設計，在工業應用和課程教學中被廣泛采用。電路仿真給學生迅速且有趣的工具，軟件解決能讓教師準備并反復使用此虛擬實驗室，豐富的網絡資源能讓學生在實驗室之外就可以完成電路、模擬電子技術、數字電子技術的基礎知識及仿真[1-2]。

1.Proteus在理論教學中的應用

由于時代發展，新技術層出不窮，導致現在課程普遍短學時化，但相應的教學內容并沒有減少太多。這不但對教師的教授是一個極大的考驗，如何在盡量短的課時內完成完整的課程體系，也對學生的吸收掌握提出了更高的要求。為了解決這個問題，教研組提出，除了更加精煉講解、減少復雜公式推導以外，也要增加直觀演示環節。比如在三極管放大電路的講解中，迅速講解理論知識后，為了讓同學們有一個直觀的認識，教師在上課之前提前做好相應的Protest仿真模型，用虛擬儀表顯示出各個節點的電壓和電流。如圖1所示，為了說明分壓電阻的選擇，在演示的時候多次修改電阻值并操作電容C，讓學生看到不同的電阻可以讓三極管分別工作在截止飽和放大三種狀態。這種視覺的觀察，一方面增加了課堂講授的手段，讓學生不是一直在聽抽象的理論，同時仿真視覺足夠直觀，能給學生留下比較深刻的印象[3]。

圖1 一個基本的三極管放大電路

信號發生電路也是模擬電子技術理論教學中的一個難點，關鍵在于起振條件以及平衡條件難以想象。那么使用Proteus仿真軟件之后，可以清楚地看到各點電位高低、波形變化等，非常直觀。如圖2所示，是一個電容三點式振蕩電路。該電路中，C1是耦合電容，對振蕩信號頻率可以視為短路；反饋信號取自電容C4，從而形成電容三點式電路。電源Vcc通過電阻R2接到BJT的集電極，以避免電源將振蕩電路的高頻信號短路。大功率電路中，也可以用高頻扼流圈也就是一個線圈代替R2。電容三點式具有LC并聯回路，因此電容C3、C4的三個端子的相位關系可以用瞬時極性法判斷。假設從C1處斷開，而加入正極性的瞬時信號，則得到BJT的集電極的電位瞬時極性為-，由于C3、C4中間是接參考點的，因此為零電位，故L1兩端的極性相反，下端為正極性，與BJT基極同極性，因此滿足了相位平衡。由于電容對高次諧波呈現出較小的容抗，因此反饋信號中高次諧波成分較少，該電路的輸出信號的波形就較好。同時，可以在演示時試著改變電容的大小，則可以調整振蕩電路的輸出頻率，不可避免的，反饋的大小也被改變了，因此輸出信號的幅度也隨之改變，嚴重時甚至能使電路徹底停振。這些現象，如果只順帶講一下，是不可能給學生留下深刻印象的，但是在仿真軟件中就可以有一個非常直觀形象的演示，從而能給學生留下深刻的印象。當然也可以直接觀察振蕩起振的過程。

圖2 電容三點式振蕩電路

遲滯比較器在信號產生電路中具有非常基礎和普遍的作用，在模擬電子技術教學環節中，涉及到方波、三角波、鋸齒波等基本信號的產生。但是學生對遲滯回環傳輸特性難以理解和把握。如圖3所示，在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入了正反饋網絡，就構成了具有雙門限值的反向輸入遲滯比較器；若調換Vi與Vref的位置，那么就可以組成同相輸入遲滯比較器。由于正反饋作用，這種比較器的門限電壓是隨著輸出電壓vo的變化而變化，其抗干擾能力會大大增強。在教學中，通過演示單門限比較器和遲滯比較器的輸出波形，會讓學生產生很直觀的認識，從而也為理解后續的基本波形產生電路的原理打下基礎。改變電路中電阻的大小，門限電壓也會很清楚的在示波器上觀察到。電路的線性工作與非線性工作是一個重點也是難點。在以往的教學中，往往學完之后學生對于這些區別也懵懵懂懂。課程中第一次接觸到正反饋電路，與絕大部分情況下的線性工作完全不同，比較器是開環接法或者正反饋接法，這樣的觀察能讓初學者將非線性工作狀態下的比較器電路及信號產生電路與放大電路清晰的區分開來，明確的看到輸出電壓的高電平VOH、低電平VOL和輸出電壓的跳變方向，加深印象；這一點也是模擬電路學習中一個特別容易混淆的知識點。

2.Proteus在實踐環節中的應用

為了提高學生實踐動手能力，真正掌握所學專業知識，各大院校比以前更加重視課程實訓環節，模擬電子技術更是如此。一般會選擇一個課題，讓學生在2-3周內實現。以筆者所在教研室的自動尋跡小車為例。在不使用仿真軟件之前，學生只能通過查看數據手冊、書籍和網絡，進行一系列的推導運算，去選擇合適的器件，然后進行實物的焊接和實測。但是這個過程會產生一系列的問題，一方面試錯成本較高，尤其在新冠疫情嚴重的情況下電子器件價格高；另外容易延誤達成時間；第三也不方便觀察器件參數調整導致的各種電路現象，而這是一名合格的電子工程師成長的必由之路。如果教師把所有的參數和方案都告訴學生，就失去了讓學生自己動手去做的意義，完全成了焊接和測量課，一旦有誤容易打擊學生的情緒，從根本上讓學生不敢去進行創新思路設計。采用Proteus仿真軟件之后，這些問題基本都可以克服。學生可以在基本理論的指導下，獨立思考，有時會想出一些比較有特色的設計方案，讓實訓課程出現一些驚喜，極大地鼓舞學生的創新思維。在尋跡小車設計中，經常出現的錯誤有電阻R阻值選擇不當導致輸出電壓V長高或長低、二極管接反電動機無法轉動、顯示模塊限流電阻過大過小等。比如圖3傳感器比較器模塊，采用RPR220作為核心器件，發射管R1的偏置電阻作為限流電阻，防止發射管被燒毀，不宜過大，經過查找手冊，選為100歐姆為宜。接收管上拉電阻R2、比較器上拉電阻R5阻值也需要精心設置，經常有學生不太重視阻值選擇，不細心查閱手冊而隨意設置，一旦阻值過小就會分別導致光電管易損壞、集電極輸出長高，和比較器的輸出長高，分別使指示二極管常亮和常滅。而電路已經焊接完畢，學生在檢查中往往忽視阻值大小，檢查許久也不容易找到原因，因為焊接和連線均沒有問題，因此頻繁詢問教師或者重新焊接器件，容易導致焦慮和進度拖后。

圖3 傳感器比較器模塊

這里暴露出來一些問題，雖然指導老師強調多次，但是因為學生是第一次做這種既考查理論又要求較高焊接水平的實訓課程，所以有些學生沒有耐心聽清楚老師的指示就急于動手。另外電子儀器使用不夠熟練，或者不知道用萬用表去測試各點的電位，以推斷電路出現問題的原因所在，結果就是反復地查找和更換器件，也造成了比較大的浪費。

采用Proteus仿真軟件，并強制檢查仿真結果，一方面進行任務分解，讓學生在焊接之前，能夠知道選用電阻不同結果會截然不同。另一方面如圖3所示在關鍵節點設置虛擬儀表，讓學生能夠知道傳感器在檢測到黑色地面和白色地面之后，所測得兩種狀態下的電壓值分別代表什么含義。第三方便學生改變阻值查看造成的不同現象。這樣潛移默化地就讓學生知道設計中各種儀器儀表的重要作用。同時學生在出現問題時就不會簡單地找老師求教，而是能夠首先在軟件中比較明顯地自己發現問題，能夠分組討論解決問題，與實訓課程的目的完美契合。

另外一個容易出現的問題，如圖4在做數碼管計數顯示電路部分時，很多人對是否接上了電阻存疑。其實74LS47輸出端并非集電極開路門，但有些學生本著接了也不會出錯的想法，統一都接上了。這樣一方面增加了焊接工作量，另一方面也造成了浪費和出錯的幾率。另外對限流的認識不夠深刻，選擇比較隨意。如果選的電阻很小就會把數碼管燒掉了。尤其是如果限流電阻選擇過大，數碼管一直不亮。在授課講解時，要注意的事項過多，僅靠教師強調，是無法全部記下的。現在讓學生自己搭建電路認真去做仿真，能夠使他們充分理解元件的工作原理和器件性能，所以上面這種情況是不會出現的。電子輔助設計EDA軟件在工業企業中也越來越重要。電路設計中如果沒有好的EDA軟件，就無法完成設計和驗證。當前我國電子行業中一個極為迫切的短板就是這方面幾乎完全依賴國外輔助設計軟件，這造成了一些高精尖細分行業被國外卡脖子。我們在電子教學中有意引入輔助設計軟件，可以讓學生在求學時就開始重視仿真軟件，并熟悉應用，跟就業市場能有一個良好的對接，對未來行業的發展也非常有利。

圖4 計數顯示模塊

二、結論

模擬電子技術及相關課程亟需改革，仿真技術非常適用于這些課程的教學過程。通過引入Proteus仿真軟件，可以提高教學效果，解決實驗室管理方面的困難，幫助學生更加扎實地掌握課程的內容，提高動手能力，減輕學生負擔，釋放學生的創造力，也能減少一些不必要的浪費。對于理論教學，傳統的板書加幻燈片教學模式，是一種良好的改進；在實踐環節更能發揮巨大的作用。讓學生理論結合實際，培養分析問題、解決問題的能力。同時也促進教師不斷改進教學水平和方法，提高綜合業務水平。