基于Proteus ISIS的电工与电子技术课程趣味性教学研究

2018-11-12谭艳春樊海红刘目磊

科教导刊 2018年20期

谭艳春　樊海红　刘目磊

摘要为了适应新时期高校对人才培养的要求，提升学生学习兴趣，针对电工与电子技术课程理论教学中存在的问题，将Proteus仿真软件引入到课堂教学中，实现了理论与实验的实时融合。通过举例，详细介绍了Proteus软件在KCL定理和运算放大器电路中的应用。实践表明：在电工与电子技术课堂上使用Proteus软件对一些重点、难点进行仿真演示，可以让抽象、枯燥、难懂的理论知识变得形象生动、便于理解，可在很大程度上提高课程的趣味性和学生的学习积极性，最终达到提高教学质量的目的。

关键词 Proteus ISIS 电工与电子技术教学研究

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.07.063

Interesting Teaching Research of Electrical Engineering and

Electronic Technology Course Based on Proteus ISIS

TAN Yanchun[1]， FAN Haihong[1]， LIU Mulei[2]

（[1]College of Electronical and Information Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang Guangdong 524088；

[2]Navy 92326 Troops， Zhanjiang， Guangdong 524005）

Abstract In order to meeting the demands of universities in the new era and to promote the students' interest in learning， the Proteus simulation software is introduced into the theoretical teaching in view of the problems in the theory teaching of electrical engineering and electronic technology course. Then the real-time fusion of theory and experiment is realized. Through examples， the application of Proteus software in KCL theorem and operational amplifier circuit is introduced in detail. The practice shows that using Proteus software in electrical engineering and electronic technology teaching to simulate some key and difficult points can make the abstract， boring and unintelligible theoretical knowledge more vivid and easy to understand. And it can also improve the interest of the course and the enthusiasm of the students to a great extent. Finally it can reach the purpose of improving the teaching quality.

Keywords Proteus ISIS； electrical engineering and electronic technology； teaching research

0 引言

電工与电子技术是高等院校工科非电类专业一门重要的课程。该课程涵盖的知识点较多、理论抽象，计算复杂。目前大多数高校一般采用理论和实验相结合的教学模式，这种教学模式存在以下两个主要问题：一是由于学分、学时的限制导致课时较少，无法保证对该课程的每个知识点都进行实验验证；二是由于教学计划安排和实验室资源有限等多种主客观因素，导致实验课很难与理论课同步。

为了改变这一现状，提高“电工与电子技术”课程的教学质量，本文将电子设计和仿真软件Proteus ISIS引入到课堂中，对该课程中的一些重点、难点进行设计电路仿真，结果以图形、数据、声音等多种形式进行显示，使理论教学与仿真实验紧密结合，让抽象、枯燥、难懂的理论知识变得形象生动、便于理解，提高课程的趣味性。[1]-[5]

1 仿真实验设计

本文以电工与电子技术课程中的KCL定理和集成运算放大器应用电路两个重要知识点为例进行设计仿真。[6]-[12]

1.1 交流电路的KCL定理

KCL（基尔霍夫电流定律）、KVL（基尔霍夫电压定律）以及元器件的VCR关系是电路分析的基本定律。其中，KCL描述的是电路中与某个节点相连的各支路的电流关系。该定理可简述为：集总参数电路中，流入或流出任一节点（也可扩展为封闭曲面）的各支路的电流代数和为零。

多年的教学经验发现，KCL在直流电路中的应用学生比较容易掌握，但在交流电路中的应用往往存在问题。主要原因在于交流电路中L、C元器件的VCR关系一直是教学难点，学生往往局限于高中时学过的欧姆定律的思维模式，很难理解并接受交流电路中电容、电感的时域微分关系和频域的相量关系。因此在应用KCL求解含有电容或电感的交流动态电路的支路电流时，经常会出现原则上的错误。针对上述问题，用Proteus设计一个简单的RC并联电路，加深同学对交流电路KCL的理解，仿真电路如图1所示。

图1 KCL交流仿真电路

其中：输入电源u（t）=10sin（500t）V，R1=20 ，C1=100uF ，并联电压相同，因为电阻电流与电源电压同相，而电容电流超前电源电压90埃宰艿缌鳌⒌缱璧缌骱偷缛莸缌鞴钩闪艘桓鲋苯侨切危艿缌鞯募扑愎饺缦拢？

可以看到电源支路的直流电流表显示也为2.28A，与理论的计算结果一致。

1.2 集成运算放大器应用电路

集成运放应用电路主要包括反相比例放大器、正向比例放大器、加法器、减法器和微积分电路。本文以反相比例放大器為例进行仿真演示，加深同学对运放反相比例放大器计算公式以及工作区（放大区和上下饱和区）的理解，电路如图2所示。

图2 反相比例放大器（直流输入，放大区）

运放采用uA741，工作电源为？2V，元件参数R1=10K，R1=1K，为了减小输入级偏置电流引起的误差，在同相输入端应接入平衡电阻R3：R3=R1//R2=0.909K。输入采用直流激励源（设为0.3V），理论输出为，可以看到输出端的直流电压表显示为-2.99V，与理想状态下反相放大器公式的结果基本一致，精度为0.3%。

当输入为3V时，若按放大区的计算公式输出应为-30V，已经远远超过电源的？2V，因此进入饱和区，由于电路的内部损耗，实际输出一般少于电源电压，由图3可知，此时输出为-10.5V。

图3 反相比例放大器（直流输入，饱和区）

将输入变为交流信号，用示波器展示仿真结果，电路如图4所示。

图4 反相比例放大器（交流输入）

当输入信号为0.3sin（100t+30？V时，为了方便计算放大倍数，需调节示波器的Channel A和Channel B在同一档位，仿真结果如图5所示。此时运放工作在放大区，由图5可知，输入、输出两路正弦信号相差180埃词淙胗胧涑鲂藕攀欠聪嗟摹2⑶矣赏伎杉扑愠鍪涑龅缪刮？.98V，放大倍数约为9.93，精度为0.7%。该精度与示波器的A、B通道的选择有关。

图5 反相比例放大器（交流输入，放大区）

当输入信号为时，仿真结果如图6所示。

图6 反相比例放大器（交流输入）

此时运算放大器工作在饱和区，由图6的曲线计算可得输出电压振幅约为10.6V。

2 结束语

Proteus强大的电路设计和仿真功能为电工与电子技术课程的理论教学带来了极大的便捷。本文以KCL定理和集成运算放大器应用电路两个重要知识点为例将Proteus引入到电工与电子技术的课堂教学中，在不增加硬件实验设备的前提下，可使理论教学与仿真实验有机地融合，把课本中那些抽象、枯燥、难懂的理论知识以清楚明了、形象生动的数字、图形或音频形式展示给同学，在很大程度上提高了同学们的上课学习热情，很多同学课后会自己尝试下载安装Proteus进行仿真实验，教学效果得到了很好的提升。

项目：广东省高等教育教学研究和改革项目（530002001147）广东海洋大学教育教学改革项目（530002001162）

参考文献

[1] 王文婷等.电路分析课程趣味性演示实验设计[J].实验室研究与探索，2017.36（5）：199-203.

[2] 李鑫等.“电路基础”微课教学设计的研究与探讨[J].科教导刊，2016.31：125-127.

[3] 黎明等.少学时电工电子学课程教学课程探究[J].实验技术与管理，2010.27（11）：292-294.

[4] 谭艳春等.电路分析课程教学改革探讨[J].中国教育技术装备，2017（410）：35-36.

[5] 陈知红等.Proteus仿真软件在电工学中的应用[J].实验技术与管理，2014.31（42）：93-95.

[6] 梁丽.现代化教学手段在电工电子学教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2012.29（4）：331-332.

[7] 敬伟等.探讨少学时“电工电子技术”多媒体辅助教学[J].电气电子教学学报，2012.34（9）：183-185.

[8] 沈宗果等.基于Proteus 仿真软件的电子电路设计与应用[J].江苏科技信息，2017（8）：57-58.

[9] 刘俊霞，王静.电路分析课程教学改革探讨[J].教育教学论坛，2016（25）：94-95.

[10] 付扬等.探讨电工电子课堂教学，提高教学质量[J]实验技术与管理，2012.29（4）：269-271.