模拟电子技术教学思考——PROTEUS仿真软件的应用

郑子超

（南京工程学院 工业中心、创新创业学院 江苏 南京 211167）

引言

进入21世纪以来，随着智能化、信息化的进一步发展，电子技术与电子设备在各行各业应用愈加广泛，作用愈加重要；高校里，传统意义上的工科非电类专业也应用到更多的电学知识和实验设备。因此在各大院校中，几乎所有的工科专业，都普遍开设了电工电子技术类课程，模拟电子技术是其中一门非常重要的专业基础课。这门课程的工程性非常强，内容抽象且逻辑体系严密，底层机理又较为复杂，因此在教学活动中，学生普遍认为该门课程难度太大，不好掌握。为了改进教学效果，降低学习难度，提高学生的学习积极性，我们在教学中引入了Proteus仿真软件，作为线上和线下教学相结合、虚拟与实际相验证的一种有效手段；也是新工科背景下，引入先进的技术手段，将虚拟仿真实验室带入日常教学的一次实践。在理论教学环节和实践教学环节都引入了该仿真软件，事实证明这种模式丰富了教学手段，提高了学习兴趣，降低了学习难度和实验成本，取得了良好的教学效果。

一、Proteus虚拟仿真技术在模拟电子技术教学中的应用

Proteus 是当今最为流行的EDA工具（仿真软件）之一，从原理图设计到程序调试乃至于MPU与外围电路的联合仿真，以及PCB设计，都可以实现，完成了从概念到产品的整个流程设计，在工业应用和课程教学中被广泛采用。电路仿真给学生迅速且有趣的工具，软件解决能让教师准备并反复使用此虚拟实验室，丰富的网络资源能让学生在实验室之外就可以完成电路、模拟电子技术、数字电子技术的基础知识及仿真[1-2]。

1.Proteus在理论教学中的应用

由于时代发展，新技术层出不穷，导致现在课程普遍短学时化，但相应的教学内容并没有减少太多。这不但对教师的教授是一个极大的考验，如何在尽量短的课时内完成完整的课程体系，也对学生的吸收掌握提出了更高的要求。为了解决这个问题，教研组提出，除了更加精炼讲解、减少复杂公式推导以外，也要增加直观演示环节。比如在三极管放大电路的讲解中，迅速讲解理论知识后，为了让同学们有一个直观的认识，教师在上课之前提前做好相应的Protest仿真模型，用虚拟仪表显示出各个节点的电压和电流。如图1所示，为了说明分压电阻的选择，在演示的时候多次修改电阻值并操作电容C，让学生看到不同的电阻可以让三极管分别工作在截止饱和放大三种状态。这种视觉的观察，一方面增加了课堂讲授的手段，让学生不是一直在听抽象的理论，同时仿真视觉足够直观，能给学生留下比较深刻的印象[3]。

图1 一个基本的三极管放大电路

信号发生电路也是模拟电子技术理论教学中的一个难点，关键在于起振条件以及平衡条件难以想象。那么使用Proteus仿真软件之后，可以清楚地看到各点电位高低、波形变化等，非常直观。如图2所示，是一个电容三点式振荡电路。该电路中，C1是耦合电容，对振荡信号频率可以视为短路；反馈信号取自电容C4，从而形成电容三点式电路。电源Vcc通过电阻R2接到BJT的集电极，以避免电源将振荡电路的高频信号短路。大功率电路中，也可以用高频扼流圈也就是一个线圈代替R2。电容三点式具有LC并联回路，因此电容C3、C4的三个端子的相位关系可以用瞬时极性法判断。假设从C1处断开，而加入正极性的瞬时信号，则得到BJT的集电极的电位瞬时极性为-，由于C3、C4中间是接参考点的，因此为零电位，故L1两端的极性相反，下端为正极性，与BJT基极同极性，因此满足了相位平衡。由于电容对高次谐波呈现出较小的容抗，因此反馈信号中高次谐波成分较少，该电路的输出信号的波形就较好。同时，可以在演示时试着改变电容的大小，则可以调整振荡电路的输出频率，不可避免的，反馈的大小也被改变了，因此输出信号的幅度也随之改变，严重时甚至能使电路彻底停振。这些现象，如果只顺带讲一下，是不可能给学生留下深刻印象的，但是在仿真软件中就可以有一个非常直观形象的演示，从而能给学生留下深刻的印象。当然也可以直接观察振荡起振的过程。

图2 电容三点式振荡电路

迟滞比较器在信号产生电路中具有非常基础和普遍的作用，在模拟电子技术教学环节中，涉及到方波、三角波、锯齿波等基本信号的产生。但是学生对迟滞回环传输特性难以理解和把握。如图3所示，在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，就构成了具有双门限值的反向输入迟滞比较器；若调换Vi与Vref的位置，那么就可以组成同相输入迟滞比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随着输出电压vo的变化而变化，其抗干扰能力会大大增强。在教学中，通过演示单门限比较器和迟滞比较器的输出波形，会让学生产生很直观的认识，从而也为理解后续的基本波形产生电路的原理打下基础。改变电路中电阻的大小，门限电压也会很清楚的在示波器上观察到。电路的线性工作与非线性工作是一个重点也是难点。在以往的教学中，往往学完之后学生对于这些区别也懵懵懂懂。课程中第一次接触到正反馈电路，与绝大部分情况下的线性工作完全不同，比较器是开环接法或者正反馈接法，这样的观察能让初学者将非线性工作状态下的比较器电路及信号产生电路与放大电路清晰的区分开来，明确的看到输出电压的高电平VOH、低电平VOL和输出电压的跳变方向，加深印象；这一点也是模拟电路学习中一个特别容易混淆的知识点。

2.Proteus在实践环节中的应用

为了提高学生实践动手能力，真正掌握所学专业知识，各大院校比以前更加重视课程实训环节，模拟电子技术更是如此。一般会选择一个课题，让学生在2-3周内实现。以笔者所在教研室的自动寻迹小车为例。在不使用仿真软件之前，学生只能通过查看数据手册、书籍和网络，进行一系列的推导运算，去选择合适的器件，然后进行实物的焊接和实测。但是这个过程会产生一系列的问题，一方面试错成本较高，尤其在新冠疫情严重的情况下电子器件价格高；另外容易延误达成时间；第三也不方便观察器件参数调整导致的各种电路现象，而这是一名合格的电子工程师成长的必由之路。如果教师把所有的参数和方案都告诉学生，就失去了让学生自己动手去做的意义，完全成了焊接和测量课，一旦有误容易打击学生的情绪，从根本上让学生不敢去进行创新思路设计。采用Proteus仿真软件之后，这些问题基本都可以克服。学生可以在基本理论的指导下，独立思考，有时会想出一些比较有特色的设计方案，让实训课程出现一些惊喜，极大地鼓舞学生的创新思维。在寻迹小车设计中，经常出现的错误有电阻R阻值选择不当导致输出电压V长高或长低、二极管接反电动机无法转动、显示模块限流电阻过大过小等。比如图3传感器比较器模块，采用RPR220作为核心器件，发射管R1的偏置电阻作为限流电阻，防止发射管被烧毁，不宜过大，经过查找手册，选为100欧姆为宜。接收管上拉电阻R2、比较器上拉电阻R5阻值也需要精心设置，经常有学生不太重视阻值选择，不细心查阅手册而随意设置，一旦阻值过小就会分别导致光电管易损坏、集电极输出长高，和比较器的输出长高，分别使指示二极管常亮和常灭。而电路已经焊接完毕，学生在检查中往往忽视阻值大小，检查许久也不容易找到原因，因为焊接和连线均没有问题，因此频繁询问教师或者重新焊接器件，容易导致焦虑和进度拖后。

图3 传感器比较器模块

这里暴露出来一些问题，虽然指导老师强调多次，但是因为学生是第一次做这种既考查理论又要求较高焊接水平的实训课程，所以有些学生没有耐心听清楚老师的指示就急于动手。另外电子仪器使用不够熟练，或者不知道用万用表去测试各点的电位，以推断电路出现问题的原因所在，结果就是反复地查找和更换器件，也造成了比较大的浪费。

采用Proteus仿真软件，并强制检查仿真结果，一方面进行任务分解，让学生在焊接之前，能够知道选用电阻不同结果会截然不同。另一方面如图3所示在关键节点设置虚拟仪表，让学生能够知道传感器在检测到黑色地面和白色地面之后，所测得两种状态下的电压值分别代表什么含义。第三方便学生改变阻值查看造成的不同现象。这样潜移默化地就让学生知道设计中各种仪器仪表的重要作用。同时学生在出现问题时就不会简单地找老师求教，而是能够首先在软件中比较明显地自己发现问题，能够分组讨论解决问题，与实训课程的目的完美契合。

另外一个容易出现的问题，如图4在做数码管计数显示电路部分时，很多人对是否接上了电阻存疑。其实74LS47输出端并非集电极开路门，但有些学生本着接了也不会出错的想法，统一都接上了。这样一方面增加了焊接工作量，另一方面也造成了浪费和出错的几率。另外对限流的认识不够深刻，选择比较随意。如果选的电阻很小就会把数码管烧掉了。尤其是如果限流电阻选择过大，数码管一直不亮。在授课讲解时，要注意的事项过多，仅靠教师强调，是无法全部记下的。现在让学生自己搭建电路认真去做仿真，能够使他们充分理解元件的工作原理和器件性能，所以上面这种情况是不会出现的。电子辅助设计EDA软件在工业企业中也越来越重要。电路设计中如果没有好的EDA软件，就无法完成设计和验证。当前我国电子行业中一个极为迫切的短板就是这方面几乎完全依赖国外辅助设计软件，这造成了一些高精尖细分行业被国外卡脖子。我们在电子教学中有意引入辅助设计软件，可以让学生在求学时就开始重视仿真软件，并熟悉应用，跟就业市场能有一个良好的对接，对未来行业的发展也非常有利。

图4 计数显示模块

二、结论

模拟电子技术及相关课程亟需改革，仿真技术非常适用于这些课程的教学过程。通过引入Proteus仿真软件，可以提高教学效果，解决实验室管理方面的困难，帮助学生更加扎实地掌握课程的内容，提高动手能力，减轻学生负担，释放学生的创造力，也能减少一些不必要的浪费。对于理论教学，传统的板书加幻灯片教学模式，是一种良好的改进；在实践环节更能发挥巨大的作用。让学生理论结合实际，培养分析问题、解决问题的能力。同时也促进教师不断改进教学水平和方法，提高综合业务水平。