Proteus在电子技术课程教学中的应用研究

贾萍

[摘    要] Proteus是当今主流的电子线路设计与模拟仿真的软件。文章主要介绍了Proteus的特点及优势，以电子技术课程为例，探讨了Proteus在电子专业课程教学中的应用以及对教学的帮助。

[关键词]  Proteus;实验;仿真;电路

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 097

[中图分类号] G647    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）15- 0234- 02

0      前    言

电子信息类专业是高等院校开设的培养应用型技术人才的工科专业，学生的动手实践能力和创新能力与就业率及就业质量息息相关。为了提高学生的实践动手能力，必须加强相关的实践教学环节。在传统的教学过程中，电子信息学科的关键课程如电路分析、模拟电子技术、数字电子技术等大多采用“理论课+实验课”的教学模式[1]。这种传统教学模式存在很多问题：理论课程与实践课程很难同步进行，理论教学内容抽象，学生难以理解和接受;理论课上只能用板书画图或者PPT动画来讲解元件特性、电路原理等内容，耗时费力，教学效率低;实验教学则以现成的实验台为主，实验单一，且时常由于错误连线导致元件毁坏，浪费了宝贵的实验时间。同时，实验元件和实验项目老旧，学生很难对实验产生兴趣，只会单纯地按照实验指导书的内容进行实验，缺少自己的思考，限制了学生的创新能力。因此，如何改进电子类课程的教学手段是摆在众多教师面前的一道难题。

1       Proteus介绍

自20世纪80年代起，各种电子设计自动化（Electronic Design Automalion，EDA）软件开始出现在大众的视野中，它们特点鲜明，操作简便，使电路设计方法得到了彻底的改变。由于EDA软件具有界面简洁，修改方便，操作容易，测量简单，元件库丰富等特点，所以逐渐从专业的电路绘制软件发展应用到电子信息教学当中。Proteus是20世纪末Labcenter Electronics公司所开发的一种电子设计自动化工具软件。Proteus的功能十分丰富，它既是电路设计软件，也是设计印制电路板软件，并且可以进行电路模拟仿真。它不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件[2]。

Proteus的特点有：①它可以模拟单片机与单片机外部的电子设备一起仿真，可以实时采用诸如LED/LCD显示器、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行仿真。②提供软件调试功能。在硬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[3]。③可以使用第三方软件如Keil，IAR等软件来进行单片机程序的编译和调试。

2      Proteus在教学中应用的优势

应用Proteus，教师可以详尽地展示电路的搭建与运行方式，信号的传播过程，并且可以以图形方式来显示线路上信号的实时变化，并且Proteus可以在教学中使用软件的仿真功能来展示元件在不同工况下的性能，使学生们能更直观地看见元件运行的状态，使得学生们能充分理解元件的工作原理及特性。利用Proteus的仿真，在理论课程中穿插实验内容，加深学生对于元件功能和电路构建方式的理解，提高了学生对电路理论知识的掌握程度，并且Proteus可以很简单地通过改变电路元件的参数来调整电路的性能，实验过程既简单又方便，是传统的实验台无法做到的。同时，Proteus丰富的元件库使学生们的设计不仅仅局限于书本上的实验，也可以根据自己的兴趣自行设计一些有趣的电路。由于Proteus可以在电路中添加各种测量仪器，在进行仿真时可以更加清晰地看到信号波形曲线，各种参数曲线，以及电路运行现象，为调试改进电路提供了传统电子实验台无法提供的便利条件。在实验课上，由于使用的芯片引脚很多，常常会有同学因为漏焊、虚焊、搭锡或者数错引脚造成电路无法正常运行，而Proteus仿真软件很好地解决了这一问题，而且可以用仿真模拟出错误焊接导致的现象，加深学生们对电路的理解。

3      Proteus在电子技术课程教学中的应用

Proteus仿真软件能够对大量的集成电路和数字电路进行仿真，其在对电子设备的動态仿真方面是其他仿真软件所不能比拟的，效果十分真实，并且支持多种微处理器和控制器的仿真。Proteus共有两大模块，分别是ISIS和ARES。其中ISIS用于设计和修改电路的原理图、配置外部代码编译器、编写程序源代码及运行仿真与调试;ARES则主要应用于印制电路板的设计。Proteus可以直接与Keil等软件无缝对接，实现对代码的实时观察与编辑，仿真结果显示直观明了，提高了教学的效率。根据笔者所在学院的教学现状，下面对Proteus在电子技术课程教学中的应用进行说明。

以设计温度检测报警系统实验为例，实验要求以数字的形式显示传感器当前温度，并且在达到特定温度的时候会报警提示。设计中需要把温度信号转换为电信号，再将电信号转换为数字信号，以数字的形式表现出来。采用传统实验方式时，通常需要先绘制原理图，根据原理图选购所需元件，完成电路板的布局、焊接、调试。对于原理图中相对复杂的电路，首先要考虑电路的布局。由于受到电路板尺寸的限制，整个电路板的布局变得至关重要，在布局时需要尽量选择连接最少的导线，这样可以减少焊接的时间。大多数同学都是直接按照给定的原理图进行布局，并没有考虑到实际电路的连接情况。在使用Proteus绘制原理图时，可以对整个电路进行合理布局后优化设计。在调试过程中，经常会遇到焊接导线脱落、元件烧坏等情况，加大了调试的难度。利用Proteus调试电路时，可以排除外部环境因素进行电路的仿真。仿真片段如图1所示。

温度检测报警系统分为温度传感器模块、电压放大模块、电压比较模块、模数转换模块和报警模块五部分。在仿真电路中，调节温度传感器两端的电压可以改变温度，这样温度便以电信号的方式传递出去，通过运算放大器把电压放大并送到电压比较器中，再通过改变滑动变阻器的阻值改变此时的电压。经过电压比较器的输出信号传输到报警模块中的三极管上，三极管的工作状态决定蜂鸣器是否报警;温度传感器的电信号传输到模数转换器上，通过模数转换器把电信号转化为数字信号，从而点亮七段数码管。通过滑动变阻器的阻值变化改变模数转换器上的电压，最终改变数码管上的数值。所有调试与修改，电路的仿真运行都可通过Proteus在电脑上实现，最后再根据实验结果进行元件的选购，电路的焊接与调试。由于Proteus仿真结果十分直观，便于学生们发现电路中的错误，提高了学生们的实验效率，同时可以参考仿真结果以避免由于不良元件造成的电路问题。

4      总    结

Proteus以其强大的绘图与仿真能力为我们提供了有别于传统教学与实验的新型教学方法。它可以直观地展示各种电子元件的运行方式，加深学生们对基本元件的理解;简化实验的步骤，可以做到先把电路图修改完毕再进行最后的实物焊接，提升了学生们实验的效率。实际电路运行时表现出的各种电气特征是由芯片、元器件、电路连线、运行环境等多种因素共同决定的[4]。Proteus排除了外界因素，是在理想环境下通过软件模拟这些电路特性，应用Proteus进行仿真与实际操作差别很小，可以完美地把理论应用到实践中。

主要参考文献

[1]彭丽萍，陈炜，刘平英.Proteus在电子技术课程中的应用[J].价值工程，2011（24）：163-164.

[2]朱清慧，张凤蕊，翟天松，等.Proteus教程：电子线路设计、制版与仿真[M].第3版.北京：清华大学出版社，2016：1.

[3]江维，吴雨川，李红军.基于PROTEUS和MDK的嵌入式虚拟实验室构建[J].武汉纺织大学学报，2018（5）：22-25.

[4]潘辉.Proteus虚拟实验环境在单片机教学中的应用[J].计算机教育，2010（20）：143-146.