借助虚拟技术，提高《电子技术》课程教学质量——基于PROTEUS的教学实践

魏 力

(天津铁道职业技术学院，天津 300240)

借助虚拟技术，提高《电子技术》课程教学质量
——基于PROTEUS的教学实践

魏 力

(天津铁道职业技术学院，天津 300240)

讲述高职学生如何学习好《电子技术》课程的思考与做法，利用PROTEUS把教学做一体的教法融入到课堂教学之中，通过列举大量的紧贴教学内容的实例，在课堂上进行教与学的互动，为提高课堂的教学质量进行了有益的探索与实践。

高职学生；电子技术；虚拟技术；PROTEUS；课堂教学；教学做一体

随着计算机仿真技术的不断发展，人们对仿真的认知大为扩展，其行为方式在仿真技术的作用下也在发生深刻的变化。

《电子技术》这门课程，是学习电类专业的必修课，承上启下，其课程包含的内容较多，概念较抽象。而学习者是基础比较薄弱，学习方法和学习习惯没有完全形成的高职学生，他们在学习过程中，普遍存在学习热情不够高，能动性差的问题。我在如何教好这些学生上不断思考，努力尝试用新的教学方法与方式来激发学生的学习热情。我始终心存一种改变的渴望——若能够在教学的过程中，根据授课的内容，在讲述电路原理的同时，把相关电路的工作场景和过程同时展现出来，不仅可以提高学生的兴趣，并且能够与学生互动起来，真正做到教学做一体该有多好。

现实中，PROTEUS作为一个充满活力的由概念到产品的EDA系统进入了我的视野，引发了我极大的兴趣与学习的热情。PROTEUS系统主要由ISIS电路设计与仿真平台、ProSPICE数模混合仿真器、单片机/嵌入式系统协同仿真和ARES PCB设计体系等构成，是一个真正由概念到产品的电子设计自动化系统。开始，我主要侧重用PROTEUS对单片机进行仿真的教学与研究，同时我也注意到它的ISIS电路设计与仿真平台(前期设计仿真)和ARES PCB设计体系(后期制作)应用于电子电路，也有突出的效果。具体讲，是利用ISIS和ARES的一些功能，在这个仿真平台上，从丰富的元件库中，可以方便快捷选取/放置元器件；自动捕捉、自动连线，鼠标驱动绘图过程，以器件为导向自动走线；具有可视化的PCB封装工具，可以进行诸如层次化设计；总线支持；属性管理；电气规则检查；多种图形输出等操作。并可高效、高质量完成PCB设计等。PROTEUS还提供了众多的虚拟仪器(示波器、逻辑分析仪)、信号源以及高级图表仿真ASF。

我决定利用PROTEUS提供的仿真平台，在《电子技术》教学实践中进行尝试和探索。在课堂上，使用PROTEUS仿真平台，把课堂与实验室有机地统一起来，真正把实验室“搬进”课堂，取得了很好的教学效果，获得同仁的肯定、学生的欢迎。归纳起来，有这样几个显著特点：简洁、直观、生动、效率高、可操作性强、理论与实际结合紧密。下面通过《电子技术》课程中几个知识点，来简要介绍自己的一些做法。

一、 生动情境，简洁论述

阻容电路是由电阻与电容元件结合而成，可以作为波形变换电路来使用。在不同的条件，不同的输出方式下，会产生不同的效果，应用于不同方面。通常我们在课堂上先进行理论讲解，再去实验室来组成电路测试观察。现在，我们直接用PROTEUS ISIS功能，结合阻容电路进行教学。在教室一边讲解一边操作演示观察。

1.微分电路与耦合电路

分析：阻容电路，在电阻端取输出，根据不同的条件，会得到两种电路：即微分电路和耦合电路。我们知道电路的时间常数τ=RC是决定电路过渡过程快慢的参数，工程上取(3～5) τ的时间作为过渡过程的完结。

当τ≪tw时，说明在脉冲宽度tw的时间内电路的充(放)电过程只是用了很小的一段时间就完结了。电路的输出表现为对输入信号变化率的反映，即为微分电路。

图1 微分电路和微分电路波形

图2 耦合电路和耦合电路波形

当τ≫tw时，说明在脉冲宽度tw的时间内电路的充(放)电过程远没有完结了。电路的输出表现出对输入信号持续过程的反映，即为耦合电路。

观察：设置微分电路和耦合电路的条件后，观察图1与图2中的虚拟示波器的波形，并进行比对分析，即可容易的找出各自电路的特点。在电路图中若改变参数，还可以观察到输出波形不同的变化。

应用：微分电路常被用作触发电路；耦合电路用作级间连接。

2.积分电路

分析：阻容电路，在电容端取输出，工作条件是τ≫tw，说明在脉冲宽度tw的时间内电路的充(放)电过程远没有完结了。电路的输出表现为对输入信号持续过程的反映，即为积分电路。

观察：设置积分电路的条件进行观察。输入和输出波形如图3虚拟示波器所示，找出积分电路的特点。即输出波形反映的是输入信号的平缓变化部分。若不满足积分电路工作的条件时，得不到合适的输出波形。

应用：积分电路常常被用来生成三角波或锯齿波及分离脉冲的宽度。

图3 积分电路和积分电路波形

二、突出要点，直观便捷

1.交越失真

分析：功率放大电路，是电子电路的输出环节。阐述概念时往往既乏味又抽象。交越失真的说法就是如此，不好理解，不好掌握。

观察：我们借助PROTEUS平台，通过虚拟示波器用基本的功率放大电路来仿真，给学生一个终身不忘的画面——交越失真，如图4显示的波形。观察图4和图5并做比对，不难发现 在电路结构上，OTL电路与改进的OTL电路之间存在两个二极管的差别，这是造成OTL电路的两个三极管对管在输入信号过零时的零偏置使其截止的原因，产生交越失真。当添加两个二极管后，成为改进的OTL电路，使两个三极管对管在输入信号过零时有微小的正向偏置，均保持导通状态，不会产生失真。在课堂上就让同学们看清楚了OTL电路改进的原因及使用的方法。

应用：用于改善功率放大电路的性能。

图4 OTL电路和OTL电路的交越失真

图5 改进的OTL电路和改进的OTL电路无失真的波形

2.三态门的阀门作用

分析：数字系统工作的基本形态是分时的，其中发挥“阀门”作用的电路就是三态门。三态门有：“0”；“1”和“高阻”三个状态，利用使能端加以控制。在讲课时，每个元件、部件的功能讲透，问题不大，关键是把各个元(部)件放到一起，组成一个整体系统时，对问题的理解显得更为重要。

观察：在图6中，有三个通道，分别用三个三态门与母线相连，分时控制使能端，可以打开三个三态门中的一个，就可以实现三个设备向母线进行分时数据传输。

图6 三态门分时数据传输

推而广之，如图7所示，是一个用译码器控制的四个通道的电路，将四个外部设备的采集数据A、B、C、D分时送入计算机中的电路。只要使译码器的输入A1A0分别为00、01、10、11，就可将A、B、C、D 4个外设的采集数据分时送入计算机数据总线中。表1为分时控制的总线系统的元件组成。

表1 分时控制总线系统的元件

图7 分时控制的总线系统

应用：可以扩展开来，用于分时控制的总线系统之中。

三、 灵活多样，操作性强

计数器是数字系统中使用较多的时序电路，它不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。为讲好这个内容，我选用计数、译码、显示组成的秒钟电路。

分析：秒钟即对秒脉冲进行计数、译码、显示全过程进行处理的电路。采用60进制计数器，将计数器输出的BCD数进行译码，译码产生对应数码显示器的字段的电平信号，最后驱动数码管显示所需要的数据。

观察：秒钟电路如图8所示，秒钟电路的元件组成见表2。秒脉冲发出后，观察60进制计数器工作情况(Q3Q2Q1Q0),译码器的工作情况(abcdefg),显示器显示的情况一一分析比对，进行全过程的跟踪，最后掌握电路的工作情况。

图8 秒钟电路的工作情况

表2 秒钟电路的元件

应用：数字时钟的应用范围非常广泛，配置灵活多样，可复制性，可操作性都很强。比如可以依据其原理进行不同进制电路的改造。做成12进制计数器可以改造为时钟电路，也可做成日历等计时、定时电路。当然还需要一个时基电路来提供信号源。

以上是我在《电子技术》课程的课堂教学过程中，使用的大量实例中的几个样例，透过这样的教学过程，使我感到，在课堂上借助仿真技术，对于所讲授的内容，做到生动活波，直观易懂。对讲授者：有获得技术支撑的感觉，有底气。对同学：有直观生动清楚的感性认识，有互动时的亲身体验，有对刚刚学习的知识点自然接受的感觉，仿真的实践虽然虚拟，但有让同学认同的真实感。在课堂上，尤为突出的是：对于所讲的电路可以方便的设置的不同的工作条件，求得不同的工作波形和工作过程，有利于教师对内容的进一步阐述，有利于同学对内容的消化吸收理解。通过这样的师生互动，包括同学实际的动手操作，不仅增添趣味性，吸引了同学的眼球，还使得教学效果大为提高。在教学中我还注意做到：突出电路的实际应用，注意知识的引入方式，灌输良好的学习方法，建立系统的知识结构与体系，引用最新的技术成果等。

进一步讲，这样的尝试还有很大的空间可以发掘，充分利用PROTEUS这个平台，比如还可以用ARES功能进行 PCB设计，直至进行产品设计开发。使《电子技术》课程做到易学易会，为广大同学的学习发展创业就业铺平道路。

[1]康华光.电子技术基础(数字部分)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]林理名.电子技术基础与技能[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]王 林.电工电子技术[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

[4]周灵彬.基于Proteus的电路与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2013.

[5]张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6]徐爱钧.单片机原理与应用——基于PROTEUS虚拟仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

WEI Li
(TianjinRailwayVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300240)

Improving “Technology of Electronics”Course Teaching Quality with Help of Virtual Technology——On the Basis of PROTEUS Teaching Practice

it describes the thought and practice on how higher vocational students learn “Technology of Electronics” course well. It integrates the teaching method of combining teaching and practice into the classroom teaching using PROTEUS. It conducts beneficial exploration and practice for improving teaching quality on courses by listing numerous instances that are closed to teaching content and interaction of teaching and learning in courses.

higher vocational students; technology of electronics; virtual technology; PROTEUS; classroom teaching; combining teaching; learning and practice as a whole

2015-06-22

魏力(1956-)，男，北京人，天津铁道职业技术学院铁道动力系副教授，主要从事电子技术、单片机等课程的教学与研究工作。

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1673-582X(2015)12-0057-05