基于Proteus的高职自动化类专业电子技术课程教学改革

2021-06-17王显梅彭宇林

电子制作 2021年10期

王显梅，彭宇林

（广西职业技术学院，广西南宁，530226）

电子技术是高职自动化类专业一门非常重要的专业基础课程，主要包括电路分析基础、模拟电子技术和数字电子技术等内容。该课程的学习效果，将直接影响后续PLC应用技术、单片机应用技术、自动线安装与调试等课程的学习。在过去长期的教学过程中，存在着理论教学以讲授为主，主要靠学生自己理解和充分发挥想象能力对所学知识进行理解，知识点非常枯燥乏味；而实训课教学则根据系部元件库已有的器件开展有限的项目训练，其效果非常有限；课程综合设计则由于没有前期的仿真而直接的进行电路板的制作和安装，成功率低。这样导致的后果是部分学生对本门课程开始阶段充满期待，学习激情高涨，随着学习的深入和难度的加大，不懂的问题越积累越多，从而慢慢的失去对课程的兴趣和信心。因此，将Proteus仿真软件引入电子技术课程的教学全环节当中，借助仿真软件生动形象展示各种电路运行效果，激起了学生的学习兴趣，加深学生对理论知识的理解，扩展学生的学习空间，使其还可在课外进行自主学习，极大提高了教学质量，提升学习效果显著，有力的推动了电子技术的教学改革。

1 Proteus软件简介

Proteus是由Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件。自1989年推出市场以来，使用非常广泛，该软件组合了高级原理布图、混合模式Spice仿真、PCB设计以及自动化布线来实现一个完整的电子设计系统，除实现以上与其他EDA工具相同功能外，其革命性的功能是将用户对基于单片机为核心的系统连同所有的接口器件一起进行仿真，Proteus软件的主要特点有：

（1）可以实现原理图绘制和PCB板设计。

（2）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。有丰富的各种虚拟仪器，如电压表、电流表、逻辑分析仪、示波器、信号发生器等；具有电路基础仿真、模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能。

（3）具有支持当前市面上主流单片机系统的仿真。如：8051、PIC、ARM等市面上主流的单片机。

（4）强大的调试工具。具有和KeilUVision2等开发工具接口。

2 Proteus在电子技术课程教学中应用

■2.1 Proteus在理论教学中的应用

在电子技术课程理论教学过程当中，由于涉及的知识点多、概念新及电路抽象，看不见摸不着，只能发挥学生的自我空间想象能力进行理解，非常枯燥无味。而理论教学作为实训教学的基础，如果不能很好的理解和掌握其原理，在实践中就不能运用所学理论知识指导实践，从而摸不着头脑而无从下手，所以理论教学就显得尤为重要。因此，如何激发学生的学习兴趣，帮助他们学好理论知识，就成为每一位电子技术教师所面临的问题。在理论教学过程中引入Proteus仿真软件进行辅助教学，可以起到了事半功倍的效果，教师事先讲解电路原理，然后通过仿真软件来展示该电路的运行过程，这样就可以让学生观察到各种信号之间的转换，非常直观形象的展示教学内容，加深对电路原理的掌握，提高理论教学的效率。

基本放大电路的原理是电子技术课程非常重要的一部分内容，掌握其工作原理和性能分析是学好后续相关内容的基础。由于该电路是学生学习电子技术遇到的第一个功能相对完善的电路，要很好的掌握和理解基本放大电路的静态工作点、放大倍数、输入/输入电阻、信号相位关系等概念是非常困难的。因此，通过Proteus仿真软件搭建基本放大电路仿真测试原理图，如图1所示。通过展示放大电路仿真运行过程，学生可以非常直观的观察到静态工作点各处电压，掌握他们之间的关系，懂得如何设置静态工作点，知道该放大器处于什么状态；同时为了掌握放大器的放大性能，可以通过调节信号发生器的信号幅度和频率，在虚拟示波器上观察输入信号和输出信号波形的关系和放大比例，就可以计算出三极管的放大倍数，这样对β值就有了深入的理解，仿真波形图如图2所示。显然，通过Proteus仿真软件融入理论教学，可以帮助学生形象直观地学习电路工作原理，强化学习效果。

图1 基本放大电路仿真测试原理图

图2 仿真波形图

■2.2 Proteus在实训教学中的应用

实训教学是高职自动化类专业培养技术技能型人才的一个重要环节，在整个教学活动中占专业课程总课时时数达55%以上。因此，如何在教学活动中开展好实训教学显得尤为重要。而在传统的实训教学活动中，学生将根据元件库已有的器件和仪器开展有限的项目训练，且周期长，成功率低，当实训失败后将推到重来，这样部分同学整个上午一个实训也无法完成，严重打击同学们的积极性。而将Proteus引入实训教学环节中，学生可以在实训前充分利用仿真软件中丰富的元器件和先进的虚拟仪器设备，来搭建教师事先在线上教学活动中所布置的实训项目，开展无数次的虚拟实训，直到成功为止。当真正开展线下实际实训时，只要仿真通过的实训项目，按照仿真时的电路元件参数和电路原理进行搭建，几乎成功率可达100%，这样以来可以提高实训的成功率，对提升学生学习兴趣和信心都是有很大的帮助。

延时LED灯是电子技术课程中的一个实训项目，其仿真原理如图3所示。而在传统的实训过程中，学生一开始就根据电路图进行元器件的焊接和上电测试，利用万用表对各关键点电压进行监测，且一个时间只能测量一个点的电压或电流，不能全面的观察各关键点的电压或者电流的变化关系。而将Proteus仿真软件引入项目实训教学中，可以通过虚拟直流电压表对LM358集成运算放大器的3脚同相输入端、2脚反相输入端、1脚输出端和LED灯两端电压进行测量，利用虚拟电流表对LED灯的工作电流进行监测。当按钮按下时，LED灯被点亮，此时2脚反相输入端的电压为0V，1脚输出端为7.70V，LED灯的压降为2.23V，电流为10毫安，与理论分析几乎完全一致；并且放开按钮后2反相输入端的电压逐渐升高，其电容C1充电快慢与R3C1数值有关，通过以上仿真，同学们对电路的工作过程，关键点的电压变化均有了深入到认识，当实际进行项目实训时，可以迅速的完成项目训练，极大的激发学生的学习热情，充分享受实训成功带来的喜悦。

图3 延时LED灯仿真测试原理图

■2.3 Proteus在课程设计中应用

课程设计是电子技术课程的一个综合训练，是考察学生对所学知识的掌握总体情况，以及电路设计能力和解决实际问题的能力。而在传统的课程设计活动中，学生根据教师给出的任务要求，分析项目要求的性能指标，进行整体和各子电路原理图的绘制，利用所学理论知识计算取值，然后根据原理图绘制电路板、焊接和整机调试，如果有一出设计错误，将重新进行设计原理图设计和电路板制作，效率和成功率都极其低下。而引入Proteus仿真软件，可以将前期的电路原理图设计，各子电路和整体电路功能测试进行前移，即可以在软件中全部完成，对不符合要求的元件参数随时修改，直到满意为止，最后再进行电路焊接和调试，只要焊接接线过程没有问题，所设计的项目就能实现其功能，从而提高了设计效率。

图4 简易电子琴仿真测试原理图

简易电子琴是电子技术课程的课程设计项目，电路如图4所示。该项目的实现主要由三个子电路所构成，即琴键电路、振荡电路和功放电路，其中最为关键的部分是振荡电路设计。由于一首音乐是由许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，频率产生则由振荡器与琴键部分接入的电阻来构成，通过不断调整元件参数，用虚拟示波器来观察频率变化，直到设计符合要求为止，这样就可以快速的完成整体电路的设计仿真工作，极大的提高的设计效率，快速的完成课程设计项目，迅速提升学生解决问题的能力。