Proteus在電氣信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

葉繼英　李　林　姚齊國　徐　樂

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022)

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Proteus在電氣信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

葉繼英李林姚齊國徐樂

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022)

摘要針對電氣自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，提出了Proteus仿真軟件在電氣信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用。通過Proteus軟件在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及單片機(jī)課程中的應(yīng)用表明，該教學(xué)改革方案不僅能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，還能提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞Proteus；仿真；模擬電子技術(shù)；數(shù)字電子技術(shù)；單片機(jī)

Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，系統(tǒng)包括ISIS.EXE(電路原理圖設(shè)計(jì)、電路原理仿真)、ARES.EXE(印刷電路板設(shè)計(jì))兩個(gè)主要程序三大基本功能。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路[1-2]。該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合；支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真；提供軟件調(diào)試功能；具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。

電氣工程及其自動化專業(yè)培養(yǎng)的是系統(tǒng)運(yùn)行、自動控制、電工技術(shù)、電子技術(shù)、信息處理以及計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域工作的寬口徑“復(fù)合型”高級工程技術(shù)人才。主要課程除大學(xué)公共課、基礎(chǔ)課外，主要開設(shè)電路原理、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電機(jī)學(xué)、自動控制原理、信號與系統(tǒng)、電力電子技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)等課程。在實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)中合理使用Proteus仿真軟件，不僅能提高課堂教學(xué)質(zhì)量，還能提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。本文從模電、數(shù)電、單片機(jī)這三個(gè)方面入手，通過舉例分析Proteus在電氣信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用。

1Proteus在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用

電子技術(shù)是高等學(xué)校電氣信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其中模擬電路非常重要，它所涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是相關(guān)專業(yè)學(xué)生所必須掌握的，其中放大功能又是模擬電路最重要的一種功能。學(xué)生對于這一部分內(nèi)容比較難掌握，特別是放大電路的靜態(tài)特性分析[3]。本文以此為例，應(yīng)用Proteus軟件畫出基本放大電路，并在圖上添加電流表、電壓指針和示波器，把最終的仿真結(jié)果跟理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)板測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖1　一級放大電路圖

圖2　輸入、輸出圖形

1.1靜態(tài)分析：

靜態(tài)時(shí)，在晶體管的輸入特性和輸出特性上所對應(yīng)的工作點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)選擇是否合適將會影響到動態(tài)時(shí)的放大質(zhì)量，應(yīng)保證動態(tài)時(shí)在輸入信號的整個(gè)周期內(nèi)晶體管都處于放大狀態(tài)，而不會產(chǎn)生截止失真或者飽和失真。這里采用估算法來確定，計(jì)算如下：

(3+2)=6.25 V

理論計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　靜態(tài)工作點(diǎn)的理論計(jì)算

1.2動態(tài)分析

電壓放大倍數(shù)

其中：晶體管輸入電阻

理論計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2基本放大電路的電壓放大倍數(shù)測量值

顯然利用Proteus進(jìn)行仿真，可以很快得出所需波形，仿真中的電阻值、信號大小可以隨意改變，實(shí)驗(yàn)后再進(jìn)行仿真還可以進(jìn)一步掌握理論知識，仿真實(shí)驗(yàn)不受場地的限制。

2Proteus在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用

數(shù)字電子技術(shù)主要研究各種邏輯門電路、集成器件的功能及其應(yīng)用，包括門電路、組合邏輯、觸發(fā)器等。在數(shù)字系統(tǒng)中使用得最多的時(shí)序電路是計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器不僅能用于對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。

采用兩片同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160接成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器。各芯片之間的連接方式可分為串行進(jìn)位方式、并行進(jìn)位方式、整體置零方式和整體置數(shù)方式。本文采用并行進(jìn)位方式連接，即以低位片的進(jìn)位輸出信號作為高位片的工作狀態(tài)控制信號，兩片的時(shí)鐘信號輸入端同時(shí)連接[4]。

利用Proteus軟件進(jìn)行仿真。首先選擇器件：74160兩個(gè)、LOGICTOGGLE兩個(gè)、LOGICPROBE八個(gè)、信號發(fā)生器DCLOCK一個(gè)、數(shù)碼管7SEG-BCD兩個(gè)。時(shí)鐘DCLOCK選擇頻率為1Hz，這樣就會1S計(jì)數(shù)一次。如圖2連接后，按下軟件正下方的運(yùn)行按鈕，數(shù)碼管會從“00”一直運(yùn)行到“99”，并循環(huán)計(jì)數(shù)。如果要設(shè)計(jì)成百位、千位計(jì)數(shù)，只需增加主芯片74160、數(shù)碼管等器件，以圖中相同的接法再連接上去即可。

圖3　百進(jìn)制計(jì)數(shù)器

由此可知，Proteus仿真軟件可以非常靈活地應(yīng)用于數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)，不受實(shí)際元器件的限制，特別是一些專用芯片的應(yīng)用。仿真電路靈活多變，選擇不同的元器件就可組成所需電路，可得到與實(shí)際電路板相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有助于學(xué)生增加對這門課的學(xué)習(xí)興趣。

3Proteus在單片機(jī)中的應(yīng)用

單片機(jī)教學(xué)包括理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)，而實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生更好地掌握該課程更為重要[5]。在傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中，需要大量的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，硬件投入大，學(xué)生想自己擁有一套開發(fā)設(shè)備不太現(xiàn)實(shí)。Proteus是一中低投資的電子設(shè)計(jì)自動化軟件，能夠軟件仿真MCS-51單片機(jī)，只要給出電路圖即可仿真硬件電路[6]。如果將該軟件與Keil搭配使用，便可在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)和學(xué)習(xí)。

如圖4，以電子音樂為例，主芯片為89C51，系統(tǒng)具有音樂播放和按鍵彈奏功能，發(fā)光二極管D1、D2作為指示燈使用，P3.2和P3.3接入的按鍵具有切換功能。只需將Keil編譯好的執(zhí)行文件.exe裝入單片機(jī)，如果程序編譯正確，則可在音響中聽到電子音樂。

圖4　電子音樂

4結(jié)語

Proteus仿真軟件應(yīng)用在電氣信息類實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中是切實(shí)可行的，具有比較明顯的優(yōu)勢，涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面、硬件投入少、學(xué)生可自行實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)過程中損耗小、與工程實(shí)踐最為接近等優(yōu)點(diǎn)。教師在課堂教學(xué)中擺脫了儀器設(shè)備的束縛，利用仿真軟件靈活多變的組合電路，提高教學(xué)質(zhì)量；學(xué)生可自行設(shè)計(jì)硬件電路或者軟件編程，采用Proteus仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)?？傊?，使用Proteus仿真軟件可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)展學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

1汪寧.Proteus 軟件的單片機(jī)仿真方法[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,21(1):24-27

2千承輝,凌振寶,田寶鳳.Proteus仿真在電子測量實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2013,23(3):19-23

3周長源.電路理論基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1996

4閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2005

5高惠芳.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010

6徐愛均.單片機(jī)原理實(shí)用教程—基于Proteus虛擬仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009

(責(zé)任編輯：譚銀元)

Application of Proteus in Electric

Experiment Teaching Innovation

YE Ji-ying, LI Lin, YAO Qi-guo, XU Le

(Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316000，Chia)

Abstract:The Proteus simulation software was presented in electric experiment teaching reform according to the characteristics of electrical automation talents training. Three examples of the software used in the courses of analog electronic, digital electronic, and microcomputer were studied. The study results show that the education reform can not only improve the experiment teaching quality, but also improve students' innovative thinking and learning ability.

Key words:proteus;simulation;analog electronic technology;digital electronic technology;microcomputer

作者簡介：葉繼英,女,碩士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向:控制工程。

收稿日期：2014-10-15

基金項(xiàng)目：浙江省2014年度高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目(YB201424);浙江省財(cái)政廳機(jī)械與電氣專業(yè)群實(shí)驗(yàn)室建設(shè)設(shè)備采購項(xiàng)目(NBITC-20145106G);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY13E090004);浙江海洋學(xué)院科研項(xiàng)目(浙海院研〔2012〕20號)。

中圖分類號G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1671-8100(2015)02-0126-04