Proteus軟件在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

韋平安

(拉薩師范高等專科學(xué)校，西藏 拉薩 850007)

2017-07-04

韋平安(1981- )，男，廣西賓陽人，講師，碩士，研究方向：數(shù)字信號處理。

1674- 4578(2017)05- 0012- 03

Proteus軟件在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

韋平安

(拉薩師范高等?？茖W(xué)校，西藏 拉薩 850007)

本文通過在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中引入Proteus虛擬仿真軟件，通過理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，并在教學(xué)過程中應(yīng)用推廣，一定程度提高了課程的教學(xué)效果。同時(shí)針對實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的一些問題，也提出了自己的觀點(diǎn)和看法。

模擬電子技術(shù)；Proteus；仿真應(yīng)用；課程教學(xué)

眾所周知模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)是電子信息類與計(jì)算機(jī)類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程之一。學(xué)習(xí)并掌握好模擬電子技術(shù)對于學(xué)習(xí)相關(guān)后續(xù)課程有著十分重要的作用和意義。在當(dāng)今世界，信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，知識更新升級日新月異。對于講授模電技術(shù)課程的老師來說如何更好地利用新技術(shù)新方法進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生更好地理解所學(xué)知識內(nèi)容，掌握正確的學(xué)習(xí)方法顯得尤為重要。學(xué)習(xí)的方式方法多種多樣，不同的人群采用的方法也各有不同，但是不可否認(rèn)，實(shí)踐證明，理論聯(lián)系實(shí)際是學(xué)好模電的一種重要方法，學(xué)校教學(xué)中的實(shí)際主要是指實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一般又包含硬件實(shí)驗(yàn)和軟件實(shí)驗(yàn)，目前流行的軟件實(shí)驗(yàn)做法就是利用EDA軟件對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。常見軟件有Proteus、ADS、Altium Designer、Multisim等。本文主要是針對Proteus軟件的虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用效果展開的。

1 Proteus軟件簡介

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它可以從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺。由于Proteus軟件的電路虛擬仿真功能非常強(qiáng)大，而且簡單實(shí)用，既適合教師使用也適合學(xué)生自學(xué)，適合輔助電子愛好者低成本學(xué)習(xí)電子技術(shù)，所以該軟件在國內(nèi)不少學(xué)校中得到推廣應(yīng)用，目前軟件最新版本為8.6版本。在查閱一些文獻(xiàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)有部分文獻(xiàn)的作者把Proteus寫成Protues，經(jīng)查驗(yàn)，正確寫法應(yīng)是Proteus。

2 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)電子學(xué)的興趣

模擬電子技術(shù)課程前期課程涉及到高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路分析等。模電課程的教學(xué)中推導(dǎo)分析過程中往往包含高數(shù)中的微積分、物理中的電磁學(xué)、電路基本原理等，任何一個(gè)環(huán)節(jié)比較薄弱的話，都會(huì)對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果大打折扣，久而久之就會(huì)陷入一種困境，老師教學(xué)無激情，學(xué)生學(xué)習(xí)無動(dòng)力，更有甚者會(huì)產(chǎn)生恐懼厭學(xué)心里。所以教師進(jìn)行理論教學(xué)時(shí)，通過利用Proteus軟件對課程中的相關(guān)電路原理及實(shí)例進(jìn)行仿真驗(yàn)證教學(xué)，Proteus軟件除了其具有和其它EDA工具一樣的原理布圖,PCB自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外,其革命性的功能是,它的電路仿真是互動(dòng)的,電路如有顯示及輸出,還能看到仿真電路運(yùn)行后輸入輸出的效果,配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器,電壓電流表、信號發(fā)生器等,學(xué)生可以直觀地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖1所示，是利用Proteus模擬仿真三極管作為開關(guān)作用的電路。左半部分是三極管通過電阻接低電平時(shí)，三極管截止，無電流經(jīng)過發(fā)光二極管，發(fā)光二極管不亮；右半部分是三極管通過電阻接高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮起。通過仿真儀器的電流數(shù)據(jù)對比以及發(fā)光二極管的亮滅情況，三極管作為開關(guān)的作用結(jié)果清晰可見。這樣一來可以讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解更加深刻，也更加直觀，與此同時(shí)一改傳統(tǒng)教學(xué)的單調(diào)乏味，無形中也慢慢培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的興趣和愛好。

圖1 晶體三極管開關(guān)作用模擬仿真

3 培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力

目前很多學(xué)校都在提倡學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，其中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)一直是教育的重點(diǎn)和難點(diǎn)，創(chuàng)新能力同時(shí)也是學(xué)生綜合素質(zhì)的一個(gè)重要組成部分。我們知道模擬電子電路的電路形式雖然是千變?nèi)f化，但是其基本電路和組成原則是不變的。一種電路的預(yù)期效果可以通過搭建不同的電路形式去實(shí)現(xiàn)，因此教師在課程教學(xué)的同時(shí)，積極引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，利用所學(xué)的知識，只需要在電腦上安裝并運(yùn)行Proteus軟件,Proteus將為使用者建立完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境，非常方便地利用Proteus軟件提供的元器件模型，以及仿真工具，舉一反三創(chuàng)造性地去設(shè)計(jì)不同的仿真電路，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及效果的比對，虛擬仿真驗(yàn)證電路的科學(xué)性及可行性。直流穩(wěn)壓電源是日常生活中經(jīng)常使用的電源設(shè)備，如圖2和圖3所示，是分別利用不同的電源穩(wěn)壓器件設(shè)計(jì)出來的5 V直流穩(wěn)壓電源。圖2使用的是7805三端集成穩(wěn)壓器；圖3使用的是LM317可調(diào)電壓輸出的集成穩(wěn)壓器，通過調(diào)節(jié)可變電阻RV1的大小來輸出5 V電壓。雖然電路的形式和使用的元器件不一樣，但是都可以獲得所需的5 V直流電壓。當(dāng)然我們還可以通過其他方式獲得，同樣也可以利用Proteus軟件來模擬仿真，限于篇幅關(guān)系這里我們只列舉了這兩種5 V直流穩(wěn)壓電源的仿真電路。有條件的學(xué)校還可以通過軟件自行制作PCB板，然后購買所需的電子元器件，進(jìn)行硬件電路的焊接檢測及調(diào)試。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)和應(yīng)用軟件的過程中，不斷提高自身科學(xué)分析問題，解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也加強(qiáng)了創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，不斷增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

圖2 5 V直流穩(wěn)壓電源7805

圖3 5 V直流穩(wěn)壓電源LM317

4 智慧學(xué)校建設(shè)的一個(gè)內(nèi)容

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和泛在網(wǎng)絡(luò)快速的發(fā)展，現(xiàn)階段，教育發(fā)展的大趨勢正從數(shù)字教育轉(zhuǎn)向智慧教育。而智慧學(xué)校作為智慧教育的一個(gè)重要組成部分日益受到國家以及地方政府的重視。在智慧學(xué)校建設(shè)中引入Proteus或者國內(nèi)有能力公司企業(yè)也可以開發(fā)出相類似的軟件，構(gòu)建遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、體感技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，可穿戴設(shè)備的流行等，通過技術(shù)手段可以使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)變得更加生動(dòng)，更加真實(shí)。而且遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室不受物理環(huán)境因素的影響，學(xué)習(xí)者只需要通過網(wǎng)絡(luò)接入，就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間和空間的約束，相對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室來說，虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用效率更高，損耗更小，維護(hù)與維修的成本更低等。因此將其作為開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的一部分，便于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)使用。通過教育信息化和教育現(xiàn)代化，大力推廣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，促進(jìn)智慧學(xué)校的發(fā)展建設(shè)。

5 教學(xué)實(shí)踐中遇到的問題

相對于傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)室，軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室更加靈活，而且與硬件實(shí)驗(yàn)室的投入相比，成本更低，在使用方面顯得更便捷。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)在一些高校中的建設(shè)力度也不斷加大。但是有的學(xué)校過于重視實(shí)驗(yàn)室的軟件建設(shè)而忽視了硬件建設(shè)，因?yàn)槊總€(gè)學(xué)科的實(shí)際情況不一樣，對于模擬電子技術(shù)課程來說，一個(gè)實(shí)用的電子電路一般都要經(jīng)過多次調(diào)試才能達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)，熟練掌握電子儀器工具的正確使用方法、測試電路的方法、故障的診斷和排除方法、元器件參數(shù)對電路電磁兼容的影響等都是要認(rèn)真去實(shí)踐驗(yàn)證的，所以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不可偏重于任何一方，而是以硬件為基礎(chǔ)，軟硬并重，相輔相成，共同發(fā)展。這樣更有利于提高學(xué)生電子電路設(shè)計(jì)的實(shí)踐操作能力，有利于課程教學(xué)取得更好的效果，同時(shí)為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)提供更好的實(shí)踐環(huán)境。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，我們也發(fā)現(xiàn)，Proteus在電路仿真方面確實(shí)做得非常好，但是在制作PCB方面就不如Altium Designer那么友好，有部分常用元器件的封裝需要用戶自己去制作，無形中增加了時(shí)間成本。

6 總結(jié)與思考

圖4是未引入Proteus的課程教學(xué)，圖5是引入Proteus的課程教學(xué)，通過實(shí)踐對比我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)，以教師為主導(dǎo)的每一個(gè)教學(xué)因素之間的影響可以看成是一個(gè)單向循環(huán)。但是引入Proteus之后，通過Proteus每一個(gè)教學(xué)因素都積極參與其中，而且他們之間是相互影響的。由于我校地處高原地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后，學(xué)校的硬件建設(shè)不完善，電子技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備嚴(yán)重不足，給課程的實(shí)踐教學(xué)造成了很大的障礙，但是經(jīng)過近兩年的教學(xué)實(shí)踐

應(yīng)用證明，在模擬電路課程教學(xué)實(shí)踐中引入Proteus計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，大大降低了學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本,既為教師提供了良好的教學(xué)輔助手段，又為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)提供了逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，也取得了良好的教學(xué)效果，為課程的建設(shè)、課程改革指明了一個(gè)行之有效的方向。同時(shí)針對虛擬仿真在應(yīng)用中的一些弊端，在今后的教學(xué)改革中我們將加以重視和改進(jìn)，不斷創(chuàng)新和完善現(xiàn)有的方式方法，使之更好地為教學(xué)服務(wù)。

圖4 傳統(tǒng)課程的教學(xué)

圖5 改革后課程的教學(xué)

[1] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第4版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 360百科.17-06-29.http://baike.so.com/doc/5394972-5632124.html.

[3] 胡中玉，岳強(qiáng)，張茂榮.Proteus軟件在模擬電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.電子技術(shù).2015(10):26-28.

[4] 唐斯斯,楊現(xiàn)民,單志廣,等.智慧教育與大數(shù)據(jù).北京：科學(xué)出版社，2015.

ApplicationofProteusSoftwareintheTeachingofAnalogElectronicTechnology

Wei Pingan

(LhasaNormalCollege，LhasaTibet850007,China)

This paper introduces the simulation software of Proteus in analog electronic technology course teaching. Through the combination of theoretical teaching and experimental simulation teaching methods, the application and promotion are made in the process of teaching, which improves the teaching effect of the course. At the same time, according to some problems found in practice, some views and opinions are also put forward.

Analog electronic technology; Proteus; simulation application; teaching

TN710.4;TP391.9

A