基于Proteus仿真的模拟电子技术课程教学改革

李立礼,梁明华,李生华

(贺州学院 物理与电子信息工程系,广西 贺州 542800)

基于Proteus仿真的模拟电子技术课程教学改革

李立礼,梁明华,李生华

(贺州学院 物理与电子信息工程系,广西 贺州 542800)

针对《模拟电子技术》课程教学效果普遍不好的问题,提出通过仿真技术辅助教学的思路。文章介绍了EDA仿真软件Proteus的特点与功能,并通过教学实例,利用Proteus辅助课程的理论教学、实践教学和课程设计,表明用EDA辅助教学能改善教学手段,丰富教学内容,提高教学质量。

模拟电子技术;Proteus;仿真

1 引 言

《模拟电子技术》是电子、控制与机电等专业的主干课程,该课程教学效果的好坏,直接影响到学生后续课程的学习。长期以来,该课程理论教学方法枯燥,实验教学可操作性差,课程设计缺乏创新,导致大多数学生对电路理论理解不清,实验走过场,课程设计找枪手。由于学生对这门课程学习不好,导致很多学生由最初对专业的满腔热情变得失去兴趣,继而荒废学业。笔者将仿真软件Proteus应用于《模拟电子技术》课程的理论与实验教学以及课程设计中,借助多媒体展示生动形象的电路仿真,提高学生对电路的感性认识,加深学生对理论知识的理解,开拓学生自主学习的空间,大大提高了教学效果和教学质量。

2 Proteus介绍

Proteus[1,2]是英国Labcenter公司研发的多功能EDA软件,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,具有模拟电路、数字电路、单片机系统等的仿真功能;提供有丰富多样的虚拟信号发生器与调试测量工具,是一种可视化、全开放的仿真实验平台;所提供的几千种元件模型中大多数模型与标准的SPICE模型相兼容,仿真结果与实际非常接近;具有强大的电路图绘制与PCB板设计功能,可方便实现电路从原理图到仿真最后到PCB设计的全过程。开发效率高、周期短、成本低,在工程设计和电类教学中具有重要的现实意义。

3 Proteus在模拟电子技术课程教学中的应用

3.1 Proteus在理论教学中的应用

《模拟电子技术》的理论教学令许多任课老师为难,原因在于该门课程的理论知识抽象,概念多,工程实践性强。在教学过程中,一方面要考虑电路的理论知识,另一方面还要考虑电路的具体结构以及电路信号的特点等因素[3]。学生在学习过程中,如果缺少某一方面的知识,就很难对电路有全面的理解。由于教学手段及课时的限制,传统的教学重点只能放在电路原理的介绍上,实际的应用是纸上谈兵,因而激发不起学生的兴趣,达不到理想的教学效果。将Proteus仿真技术引人教学,老师可以通过多媒体展示电路的仿真,形象地讲解电路理论及原理,使学生清晰观察到电路运行的现象、信号波形以及各种参数曲线,从感性上加深对电路原理与性能的理解,直观地掌握教学内容,提高教学的效果与效率[4]P54-55。

放大电路性能的分析是《模拟电子技术》很重要的内容,也是教学的难点。传统的教学方法很难解释放大器静态工作点对电路的影响,学生对电路的放大、输入输出电阻、频率特性、信号的相位关系以及信号的失真都会觉得很抽象,难以理解。如果用Proteus搭建原理图(1),进行仿真运行,学生就能够通过多媒体屏幕形象地观察到改变输入信号的幅值与频率,输出信号的变化情况,进而感性地理解电路的放大作用,电路的频率特性,以及输入输出信号的相位关系等等;通过调节RV1的大小,改变放大电路的静态工作点,学生就能通过虚拟示波器观察到偏置工作点对放大电路性能的影响,如图(2)所示;通过开关SW1,还能观察到负反馈对放大器性能的影响。显然,通过Proteus虚拟仿真,学生能形象地学习放大器抽象的性能指标,深入理解放大器的工作原理,为分析复杂电路打下基础。

3.2 Proteus在实验教学中的应用

实验是《模拟电子技术》教学中不可缺少的内容,是理论联系实践,培养创新型,实用型与能力型人才的重要环节。传统实验教学中,学生是在固定的实验场所,指定的仪器设备与规定的实验时间完成某一实验,由于受实验场地、实验设备以及实验时间等硬件条件的限制,实验开设单一,规模小,数量少,并且只能做一些验证性实验。不利于培养学生的研究能力与创新能力。Proteus仿真软件能给学生在计算机上虚拟出设备先进、元器件齐备的实验平台,克服传统实验室各种条件的限制,突出以学生为中心的实验教学模式,增加学生实验时间,丰富学生实验内容,能更好培养学生分析问题与解决问题的能力[5]P30-34。

在利用555芯片制作多谐振荡器的实验中,传统实验是利用示波器观察振荡器输出信号,由于受到干扰影响,学生很难观察到完好的波形,更难以确定信号的频率。引入Proteus后,可搭建如图(3)所示电路,并运行仿真。通过虚拟示波器观察引脚2和引脚3的波形,改变电阻RV1,RV2和电容C3的参数,可以看到多谐振荡器的频率随着改变;同时可以观察到RV1除影响频率外,还决定着输出波形负脉冲的宽度;电容C3的值不影响输出波形的占空比。经过课堂演示或学生亲手用Proteus设计与仿真,学生对起振条件、振荡频率、振荡过程等重点难点从理论、实践的高度得到了解决。利用Proteus软件,还可以很容易地在该电路的基础上改造成单稳态触发器和施密特触发器,并可进行仿真。这样的虚拟实验能极大地提高学生对实验的理解,可操作强,同时能激发学生学习兴趣,提高教学效率。

3.3 Proteus在课程设计中的应用

课程设计是模拟电子技术的必修课程,是锻炼学生的焊接技术和调试电路的能力,培养学生运用理论知识分析和解决实际问题的重要环节,传统教学中,课程设计的教学效果往往不能达到预期目标。问题在于学生调试电路的过程比他们想象的复杂,并且制作电路的效果不明显。

功率放大器是模拟电子技术课程设计中经常出现的题目,传统的课程设计一般过程是学生先画出电路原理图,制作PCB板,然后组装元器件,最后进行调试。由于多数学生对实际元器件特性不了解,设计的电路难免存在各种各样的问题,因此给调试过程带来很大麻烦,又容易造成元器件的损坏和浪费,使设计的要求和指标不得不降低,课程设计效果不理想。引人Proteus仿真软件后,学生可先在软件中进行仿真调试,电路设计上的错误能提早发现,避免设计工作的浪费,提高设计的一次成功率,激发学生的兴趣,更好地发挥学生主观能动性,使课程设计不再高不可攀。

利用Proteus软件设计功率放大电路,画出原理图(5),仿真运行。先通过RV1调节合适的电路工作点,改善信号波形,再调节RV2排除交越失真,最后测量出放大器的频率特性与输出功率等。通过仿真调试,能在原理图上判断实际功能放大器的性能指标,为最后完成课程设计提供了保证,极大提高了课程设计的质量与成功率,也提高学生学习与动手实践的兴趣。

图(5)功率放大器仿真图

4 结 论

将Proteus仿真软件应用到模拟电子技术的课程教学上,通过直观形象的仿真演示,可以帮助学生更深刻和全面地理解电子电路的基本概念和原理,方便地进行电路的实验和调试,提高课程设计的成功率。同时给学生研究问题提供了有效的手段,培养学生独立发现问题、分析问题和解决问题的能力,对《模拟电子技术》及相关电类课程的教学具有很好的辅助作用。

[1]朱清慧,张凤蕊,翟天嵩等.Proteus教程[M].北京:清华大学出版社,2008.

[2]张靖武,周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]王淑娟,蔡惟铮,齐 明.模拟电子技术基础[M],北京:高等教育出版社,2009.

[4]田建艳,夏露易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践,2005(6).

[5]深圳风标科技有限公司,PROTEUS在电类教学与科研中的应用[C].研讨会专刊,2006.

Teaching Reform of Analogue Electronic Technology Based on Proteus Simulation

Li Lili,Liang Minghua,Li Shenghua

(Department of Physics and Electronic Information Engineering,Hezhou University,Hezhou,Guangxi 542800,China)

Because of poor effectiveness generally in”analogue electronic technology”teaching,the teaching method based on simulation is proposed.The EDA simulation software features and functions of Proteus are introduced in the paper,and by teaching examples,using Proteus in the theory teaching,practice teaching and curriculum design,show that the EDA can improve teaching methods,teaching content and improve teaching quality.

analogue electronic technology;Proteus;simulation

TN710

A

1673-8861(2010)02-0101-03

2010-03-15

李立礼(1971-),男,广西藤县人,硕士,讲师。主要研究方向:智能控制,电子技术应用。

本文是广西教育厅新世纪教改工程“十一五”课题(项目编号:2009C086)研究成果之一。