Proteus在模拟电子技术教学中的应用

侯向锋,周兆丰

(1.湖北师范学院 物理与电子科学学院,湖北 黄石 435002；2.湖北师范学院 电工电子实验教学示范中心，湖北 黄石 435002)

0 引言

《模拟电子技术》是电信类专业的一门十分重要的专业基础课程。随着电子工业的飞速发展和计算机技术的迅速普及，它也不断成为几乎所有理工科学生的必修课程。它既有自身的理论体系，又有很强的实践性。其目的和任务是让学生获得模拟电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为今后进一步学习、研究、应用电子技术打下基础。

《模拟电子技术》由于内容抽象且与实际应用联系非常紧密，导致目前的教学模式受到各种条件的限制。在理论教学中，如果采用板书画图讲解，费时耗力，教学效率低；如果采用PPT讲授，提高了教学效率，但是学生印象不深刻。在实验教学中，如果采用分立器件，学生会把大部分时间浪费在搭建电路上，几乎没有时间思考电路的设计，影响学生做实验的积极性；如果采用集成的实验箱，学生很难在实验室外进行实验操作，极大地限制了学生的实际动手能力。为了解决这些问题，很多任课老师在教学中引入了仿真软件，取得了一定的效果。因此，将仿真技术应用于《模拟电子技术》的教学中是一个值得研究的课题。

目前流行的仿真软件有Multisim、SPICE、Quartus Ⅱ、Proteus等，并且都已应用于电信类课程的教学中。其中Multisim主要应用于电路分析课程中，SPICE主要应用于模拟电子技术课程中，Quartus Ⅱ主要应用于数字电子技术课程中，Proteus主要应用于单片机课程中。但是，这样会使学生还没有熟练掌握一款仿真软件，就又要学习另一款仿真软件，加重了学生的学习负担。仿真软件Proteus已经应用到我院单片机课程中，有效地解决了单片机课程理论抽象难懂、实验设备不足、理论与实践脱钩等问题。Proteus具有强大的功能，几乎可以贯穿所有电信类专业核心课程的教学和实验，如模拟电子技术、数字电子技术、单片机以及嵌入式系统等。同时，可以让学生在掌握一种仿真软件后，能够运用于多门课程的学习中，减轻学生负担。根据我校的教学条件，本文探索仿真软件Proteus在《模拟电子技术》教学中的应用。

1 软件介绍

仿真软件Proteus是一款来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件。该软件主要用于电路分析与实物仿真以及印制电路板的设计，它可以仿真、分析各种模拟电路与集成电路，软件提供了大量模拟与数字元器件及外部设备，各种虚拟仪器(如电压表、电流表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等)，它具有对单片机及其外围电路组成的综合系统的交互仿真功能。Proteus除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的。针对微处理器的应用，它还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。Proteus还组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统[1]。Proteus能够很容易地为用户建立完备的电子设计开发环境。

Proteus软件的特点是：1)实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能。2)支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。3)提供软件调试功能。在该软件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。4)具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大[2]。

仿真软件Proteus安装后，主要由两个程序组成：ARES和ISIS.前者主要用于PCB自动或人工布线及其电路仿真，后者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真。除了上述基本应用之处，Proteus可以直接实时动态地模拟按键、键盘的输入，LED、液晶显示的输出，同时配合虚拟工具如过滤器、逻辑分析仪进行相应的测量和观测[3]。仿真软件Proteus非常适合教学，是一个巨大的教学资源，它不仅可以应用到模拟电子技术、数字电子技术、单片机以及嵌入式系统等课程的教学中，而且可以应用到创新实验、毕业设计、电子竞赛中。

2 理论教学

将仿真软件Proteus应用到《模拟电子技术》的理论教学中，就相当于把实验室搬到了课堂上。这样，任课老师可以在上课过程中把《模拟电子技术》中的基本的器件展示给同学们，还可以把基本电路的分析过程、分析结果、设计过程等一步步地演示给同学们。原来用语言不便描述的内容就能直观地展现出来，需要复杂演算才能得出的结论就能直接反映出来，增强了教学的直观性和生动性。课堂教学中采用Proteus，就省去了枯燥无味的理论推导，节约时间的同时，却加深了学生对《模拟电子技术》理论内容的理解，从而在教学中起到实质性的突破。

在《模拟电子技术》的理论教学中引入Proteus，更有利于任课老师解决教学重点和难点。在《模拟电子技术》的教学中，放大电路静态工作点的设置和动态参数的估算等既是教学重点也是教学难点。传统的教学方法总是让学生只知道二极管、双极结型三极管、场效应管等这些器件名字及基本原理，但是学生不清楚有什么用，更不知道怎么用这些器件组成特定功能的模拟电路。但是借助于Proteus，就能让学生很好地理解这些问题。

在放大电路中，静态工作点是很重要的，它不但决定了放大电路是否会产生失真，而且还影响到电路的动态性能，如电压增益、输入电阻等，所以在设计或调试放大电路时，为获得较好的性能，必须首先设置一个合适且稳定的静态工作点[4]。下面以图1中基本共发射极放大电路的静态工作点的设置为例进行说明。

图1 基本共射极放大电路

设置静态工作点，其实就是通过外围电路使双极结型三极管Q1处于放大工作状态。图1中电源电压VCC=10V，Q1的集电极静态工作电流ICQ=1mA，那么只需确定电阻Rb和Rc的值。要想确定Rb和Rc的电阻值，必须首先知道Q1的β值。同一型号的两个不同的双极结型三极管的β值也不一定相同，而且这个器件的数据手册上也只能给出一个范围，比如双极结型三极管2N3904的β值在30到300之间。那么怎么确定一个双极结型三极管的β值呢？在传统的上课方式中，很多学生学完了模拟电子技术都不知道怎么处理。现在任课老师可以在仿真环境Proteus中进行现场演示，给学生一个深刻的印象。通常采用基本共发射极放大电路确定双极结型三极管的β值，如图2所示。为了得到输出电压的最大动态范围，静态工作点应该设置在交流负载线的中点，也就是说集电极静态工作电压VCQ=VCC/2=5V.所以VRC=Rc×ICQ=VCC/2=5V，Rc=5KΩ.然后调整Rb，借助于Proteus中的电压测量探针和电流测量探针监测Q1的基极电压VBQ、基极电流IBQ、集电极电压VCQ和集电极电流ICQ，使集电极电流ICQ基本为1mA，集电极电压VCQ约为5V，仿真结果如图3所示。双极结型三极管的β值为此时的集电极电流ICQ与基极电流之比IBQ，即β=ICQ/IBQ=0.00100249/7.18126e-6≈140.最后就可以根据ICQ和β计算出Rb，即Rb=(VCC-VBE)/IBQ=(VCC-VBE)β/ICQ≈1.3MΩ.经过分析，图1电路中的参数都确定下来。最后，给设计好的放大电路提供一个峰值为6mV、频率为1KHz的正弦信号，并用示波器观察输入信号和输出信号的波形，演示结果如图4所示。

图2 β值测量电路 图3 静态工作点仿真结果

图4 演示结果

课堂上，学生通过老师在仿真环境Proteus中的每一步操作以及演示结果，就能深刻理解放大电路静态工作点的重要性，熟练掌握放大电路静态工作点的设置方法。将仿真软件引入《模拟电子技术》理论教学中，模拟电路、电路中各个关键点的电压、关健支路的电流以及输入信号、输出信号的波形都能形象地展现在屏幕上，使学生有一个直观的感觉。这不仅使抽象的理论简单化、平面的电路立体化，而且使教学过程生动化，促进学生对知识的记忆和理解。在《模拟电子技术》理论教学中引入Proteus，激发了学生的学习兴趣，提高了教学质量和教学效率，此外，还起到了理论与实践相结合的作用。

3 实验教学

目前，我校的《模拟电子技术》实验课主要有两种模式，一种是采用分立器件，另一种是采用模块化的实验箱。前一种上课模式，学生整体感觉实验时间不够用，收获不大，因为他们把大部分时间用到了连接电路上，却没有时间考虑如何设计电路；老师要忙着提供元器件，还要课外再给学生提供实验环境；元件损耗很大。后一种上课模式，学生虽然能很快做出实验结果，但是很难搞懂电路的内部结构，一知半解，而且学生很难在课外时间进行实验操作。

将仿真软件Proteus应用到《模拟电子技术》的实验教学中，解决了上面两种教学模式的问题，打破了学生做实验的时间限制和空间限制。在预习实验时，学生就可以在自己的电脑上装上仿真软件Proteus进行仿真设计，以提高实验课上的效率和降低元件、仪器等的损耗。实验课后，不太理解的地方，学生也可以通过仿真来进一步进行操作。总之，只要有一台电脑，学生就可以随时在自己的电脑上进行仿真实验。

除了基本的实验外，老师可以布置一些设计项目，比如设计正弦信号发生器、串联反馈式直流稳压电源。在经济上不需要额外投入的情况下，学生就可以根据知识的掌握程度自选设计题目，在Proteus环境中进行仿真设计。等仿真设计成功后，再购买或领取元器件、焊接电路、调试电路等。

此外，老师还可以指导学生应用Proteus仿真软件开展课程设计和毕业设计，提高学生参加大学生电子设计竞赛的能力。总之，仿真软件Proteus应用到在《模拟电子技术》实验教学中是可行的，可以达到良好的教学效果。它克服了目前实验中元件损耗大、实验箱中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣，锻炼了学生解决实践工程问题的能力。

4 结束语

《模拟电子技术》的理论教学中采用仿真软件Proteus，任课老师可以在课堂上模拟实际电路的设计与搭建过程，有利于提高学生的学习兴趣和创新能力，有助于学生有效的掌握所学知识，缩短从理论知识到实际应用的过程。

《模拟电子技术》的实验教学中采用仿真软件Proteus，起到了很好的辅助作用，既能解决元器件、仪器短缺的问题，又可以培养学生的实际操作能力及技能，提高学习效率。但是仿真软件Proteus毕竟建立的只是一个虚拟环境，虚拟与现实还是有距离的，只能作为实验教学的补充。

实践证明，把Proteus应用到《模拟电子技术》的教学中，充分利用了当今新的教学资源和教学手段，不加重学生的学习负担，让理论教学与实验教学找到新的结合点，达到了较好的教学效果。

参考文献：

[1]许文斌.Proteus软件在单片机系统仿真实验教学中的应用[J].商业经济,2006,(3):1～4.

[2]张文涛.Proteus仿真软件应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

[3]朱清慧,张凤蕊,翟天嵩,等.Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真[M].北京:清华大学出版社,2008.

[4]康华光.电子技术基础(数字部分)(第五版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.