Proteus仿真软件在电工学中的应用

陈知红， 王锦兰

(湖北工程学院 物理与电子信息工程学院， 湖北 孝感 432000)

电工学是一门非电类专业的基础课程，它的主要任务是为学生学习专业知识和从事工程技术工作打好电工技术的理论基础，并使他们受到必要的基本技能训练[1-2]。电工学课程内容覆盖面大、信息量广，教学内容涉及电工电子学科的各个方面，电工电子技术的发展，新知识、新技术、新器件的不断涌现、学时少与内容多的矛盾日益成为许多电工类课程教师必须面对的问题[3-4]。

目前本校电工学课程选用的教材是秦曾煌主编的《电工学》第7版，采用高等教育出版社和高等教育音像出版社联合出版的《电工学》配套的教学课件，其中包括电工技术、电子技术、电机学、电力电子技术和可编程控制器等方面的知识。虽然内容要求不深，但知识面广、信息量大，在有限的学时内用传统的多媒体授课方法教学效果很不理想，学生感觉抽象、枯燥、概念多。针对不同专业和层次学生要激发他们的学习兴趣，培养他们自主学习和实际动手能力，就必须从教学内容、教学方法和教学手段上入手。为此，在改革教学内容和教学方法的同时，在理论课堂上引入Proteus仿真教学手段，不仅增加学生的感性认识，帮助学生理解枯燥的理论内容，而且还可以在很大程度上解决某些因设备不足或危险性较大(比如强电实验)难以实现的实验内容[5-8]。

Proteus嵌入式系统仿真与开发平台由英国Labcenter公司开发(授权风标科技公司为中国大陆的总代理)，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。Proteus可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等全部功能[9]。目前用于电路仿真的EDA软件主要有Pspice、Multisim、Protel、Matlab和Proteus等，它们都具有各自的特点，而Proteus软件融合了Multisim、Protel等软件电路仿真的全部功能之外，还具有领先一步的全系列单片机协同仿真功能[9-15]。因此可以为学习后续课程——单片机和ARM打下一定基础。本文主要介绍Proteus仿真软件在“电工学”课程辅助教学中的应用。

1 Proteus软件在电工技术中的应用

分析与计算电路的基本定律除了欧姆定律外，还有基尔霍夫电流定律(KCL)和电压定律(KVL)。基尔霍夫电流定律应用于结点，电压定律应用于回路[1]。

KCL是描述电路中与节点相连的各支路电流间相互关系的定律，它的基本内容是：对于集总参数中的任意节点，在任意时刻，流出和流入该节点电流的代数和等于零。事实上KCL不仅适用于电路中的结点，也可以把它推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。下面以验证基尔霍夫定律KCL为例介绍Proteus软件的应用。KCL电路举例如图1所示。

图1 KCL电路举例

由图1可知：I1=I3+I2，I1=0.4 A，I2=-0.6 A,I3=1 A。I2是负值，说明实际电路方向与参考方向相反，即是电流流进结点。通过这种直观的形式，解除学生理解电流方向的困扰。

KVL是用来确定回路中各段电压间关系的。若从回路中任意一点出发，以顺时针或逆时针方向沿回路循行1周，则在这个方向上的电位降之和应该等于电位升之和，当回到原来的出发点时，该点的电位是不会发生变化的，并且对于电路中任一假想的回路KVL也是成立的[1]。以验证基尔霍夫定律KVL为例，其仿真电路如图2所示。由图2可知：U1=8 V，U2=3 V，U3=6 V，回路U1+U2+U5-U4=8+(-3)+9+(-14)=0，仿真验证了KVL定律。

图2 KVL电路举例

从上面的分析可看出：各结点的电流和各元件的电压都满足代数和的关系，从仿真实验的角度验证了基尔霍夫定律定理，由此加深了学生对知识点的理解和掌握。

2 Proteus软件在模拟电子技术中的应用

放大电路是模拟电子技术课程的核心。晶体三极管放大电路的静态工作点分析和动态性能的研究在电子技术中是一个重点内容，尤其是动态性能分析的是小信号的放大，在实际中应用十分广泛[2,16]。利用Proteus软件对单管共射放大电路进行仿真(三极管型号为2N5551)可以使学生更加直观地理解信号的放大关系，以及静态工作点设置不合适引起的失真。电路如图3所示。

图3 单管共射放大电路

为了获得最大不失真的输出电压，静态工作点应选在输出特性曲线上交流负载线的中点。在调试中把信号发生器产生的正弦波频率调为1 kHz，幅值尽可能大，直到观察到示波器显示的输出波形出现双顶失真为止，若这个失真的波形是上下对称的，则保持电位器RP的位置不改变；若不对称，改变图3中电位器RP的阻值，使波形对称，这时的静态工作点才能保证最大不失真的输出电压。上述操作的主要目的是寻找放大电路的静态工作点Q，接下来就可以用电压表和电流表去测量静态工作点的参数了。在调试过程中，Q点一定要选择合适,否则就会出现失真。图4为最大不失真电压输出时输出与输入的波形。图5为截止失真波形，由于RP阻值过大，使Q点上升而导致的截止失真。图6为饱和失真波形，由于RP阻值过小，使Q点下降而导致的饱和失真。在课程上进行这样形象的仿真演示，调动了学生的积极性，活跃了课堂气氛。

图4 最大不失真电压输出时输出与输入波形

图5 截止失真波形

图6 饱和失真波形

3 Proteus软件在数字电子技术中的应用

数字电子技术基础主要内容包括逻辑代数基础、门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形产生和变换电路、存储器、数模转换器、模数转换器[2,16]。下面以综合性课题秒表为例，介绍Proteus软件在数字电子技术教学中的应用。图7为秒表在Proteus中在线仿真显示的结果。

图7 秒表仿真电路

利用74LS390构成60进制加计数器，74LS48为显示译码驱动芯片，2片共阴型数码管由74LS48驱动周期显示十进制数字0～59，计数脉冲1 Hz方波由虚拟信号发生器提供，脉冲信号也可以利用555定时器产生。从图7的仿真结果可以看出：将以前枯燥的数字电路分析和设计过程，变为直观的、形象的视觉效果去展示电路运行过程与结果，激发了学生的学习兴趣，锻炼了学生的综合素质。

4 结束语

从上面的分析中可以看出：Proteus仿真软件在电工学理论课程中的应用是对多媒体课堂教学的一个有力补充，为提高学生分析问题、解决问题的能力提供了一个重要的手段。Proteus仿真不仅可以完成课程知识点的验证，而且激发了学生的学习兴趣，使学生主动地参与到课堂教学中来，大大提高了教学质量。在电工学课程中引入Proteus，也为继续学习后续课程——单片机和ARM打下了一定的基础。

[1] 秦曾煌，姜三勇.电工学[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 秦曾煌，姜三勇.电工学[M].下册.北京：高等教育出版社，2010.

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