Proteus仿真软件在《电工基础》教学中的应用

刘春龙

Proteus软件是由英国Lab Center Electronics公司开发的EDA软件，我们可以在其主页上免费下载试用版。Proteus包括原理图编辑（SCH）、印制电路板（PCB）布线、电路虚拟仿真（VSM）等功能，而我们这里主要使用其虚拟仿真功能，其他功能可与PROTEL99结合进行学习。与其他仿真软件相比较（如Mutisim2001、PROTEL）Proteus的优点更突出。

一、借助Proteus仿真，创设虚拟实验环境

《电工基础》课程中的概念多、分析计算多，较多的理论讲授和数学推导很难引起学生主动学习的兴趣。Proteus中具有常见的电路元器件及仪表，如交直流信号发生器、交流电压表、交流电流表、直流电压表、直流电流表、示波器等，这些电路元器件完全可以满足《电工基础》课程仿真实验的需要。将Proteus应用于《电工基础》课程中，可以增强学生对电路的感性认识，加深学生对电路基本定理的理解，学会电路分析的基本方法，使枯燥无味的理论教学变得直观生动。

例如，一阶动态电路的分析是《电工基础》课程中的一个难点，理论的推导枯燥且不直观。在分析电路之前，通过Proteus仿真演示可以显示一阶电路的充、放电响应过程，使学生获得直观的了解。在Proteus仿真环境中绘制一阶RC电路图，开关处于闭合状态和断开状态。

电容的充放电现象的理解。在仿真时，我们可以见到电容两端“+”和“-”不断增加和减少，表示电荷的增加或减少，同时负载两端并联一个电压表的计数也不断增大或减小，这表明电容C正在充电或放电。

在《电工基础》教学中采用Proteus仿真软件，创造了虚拟实验环境条件，让学生在仿真中获得理论知识，在虚拟实验中提高动手能力。

下面以几个具体实例来说明一下如何借助Proteus仿真软件进行电工基础的演示教学。

二、直流电路的PROTEUS仿真——基尔霍夫定律

《电工基础》课程在介绍了电路的基本概念和基本定律后，重点介绍了直流电路的分析方法。学生在初中物理学习过简单的直流电路，先让学生熟悉Proteus仿真软件，然后让学生在教师的指导下进行画Proteus原理图以及动画仿真。

基尔霍夫电流定律（KCL）：在电路中，对任意节点或闭合面来说，流入节点或闭合面的电流恒等于流出节点或闭合面的电流。

基尔霍夫电压定律（KVL）：在任意瞬间，在任意闭合回路中，沿任意环形方向（顺时针或逆时针）回路中各段电压的代数和恒等于0。

基尔霍夫电压和电流定律实训电路如图（省略）。

基尔霍夫电流定律（KCL）：

由仿真电路图的仿真结果可知，I2=1.45mA、I1=0.14mA、I3=1.32mA

I2=I1+I3=0.14mA+1.32mA=1.45mA

基尔霍夫电压定律（KVL）：

由仿真电路图的仿真结果可知，E1=4.5V、E2=7V、UR1=0.14V、UR2=4.36V、UR3=2.64V

E1=UR1+UR2=0.14V+4.36V=4.5V

E2=UR2+UR3=4.36V+2.64V=7V

显然，运用Proteus软件可以非常容易计算电路在任一支路的电流，以及任一点的电位，只要我们在相关的地方放置电流探针和电压探针即可。由此可见，Proteus软件可以帮助我们深刻认识电路工作过程，消除学习上的模糊感觉，激发学生学习的兴趣。但我们并不希望直接告诉学生一个答案，而是让Proteus作为一个学习的辅助工具，学生知道电流、电压的计算方法还是非常必要的。

三、三相电路的PROTEUS仿真分析

三相电路是指三相电源和三相负载构成的电路，包括对称三相电路和不对称三相电路。选择三相电源（50Hz，220V）、电阻等创建对称三相电路（Y-Y接法）。

负载端电压测量：用模拟分析图表进行测量，波形如图（省略）。

三相电路的功率测量：若为对称三相电路，则其功率测量较简单，只要测出一相负载功率，就很容易得到三相负载的功率。若为不对称三相电路，则需分别测量三相负载的功率。本文以不对称三相电路为例，说明三相电路的功率测量方法。

创建不对称三相电路，如图6所示。线路阻抗为500Ω，三相负载分别为1kΩ、2kΩ、5kΩ。选用交流电压表分别测量负载R2、R4、R6的两端电压，测量结果为有效值。负载R2两端电压的有效值为142V；同理，R4两端电压的有效值为171V，R6两端电压的有效值为200V。经换算得到，负载R2吸收的有功功率为20.16W，负载R4吸收的有功功率为14.62W，负载R6吸收的有功功率为8W，则三相负载吸收的功率为42.78W。

说明：因Proteus仿真软件未提供瓦特表，故可用电压表测量负载电压（或用电流表测量负载电流），再换算为功率。

上述以电工基础中典型的定律、定理和电路为例，并选择合适的仿真分析方法进行仿真，有一定的代表性并起到抛砖引玉的作用，力求使读者受到启发。

责任编辑 潘孟良