侯向鋒,周兆豐

(1.湖北師范學院 物理與電子科學學院,湖北 黃石 435002；2.湖北師范學院 電工電子實驗教學示范中心，湖北 黃石 435002)

0 引言

《模擬電子技術》是電信類專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎課程。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和計算機技術的迅速普及，它也不斷成為幾乎所有理工科學生的必修課程。它既有自身的理論體系，又有很強的實踐性。其目的和任務是讓學生獲得模擬電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，為今后進一步學習、研究、應用電子技術打下基礎。

《模擬電子技術》由于內容抽象且與實際應用聯(lián)系非常緊密，導致目前的教學模式受到各種條件的限制。在理論教學中，如果采用板書畫圖講解，費時耗力，教學效率低；如果采用PPT講授，提高了教學效率，但是學生印象不深刻。在實驗教學中，如果采用分立器件，學生會把大部分時間浪費在搭建電路上，幾乎沒有時間思考電路的設計，影響學生做實驗的積極性；如果采用集成的實驗箱，學生很難在實驗室外進行實驗操作，極大地限制了學生的實際動手能力。為了解決這些問題，很多任課老師在教學中引入了仿真軟件，取得了一定的效果。因此，將仿真技術應用于《模擬電子技術》的教學中是一個值得研究的課題。

目前流行的仿真軟件有Multisim、SPICE、Quartus Ⅱ、Proteus等，并且都已應用于電信類課程的教學中。其中Multisim主要應用于電路分析課程中，SPICE主要應用于模擬電子技術課程中，Quartus Ⅱ主要應用于數(shù)字電子技術課程中，Proteus主要應用于單片機課程中。但是，這樣會使學生還沒有熟練掌握一款仿真軟件，就又要學習另一款仿真軟件，加重了學生的學習負擔。仿真軟件Proteus已經(jīng)應用到我院單片機課程中，有效地解決了單片機課程理論抽象難懂、實驗設備不足、理論與實踐脫鉤等問題。Proteus具有強大的功能，幾乎可以貫穿所有電信類專業(yè)核心課程的教學和實驗，如模擬電子技術、數(shù)字電子技術、單片機以及嵌入式系統(tǒng)等。同時，可以讓學生在掌握一種仿真軟件后，能夠運用于多門課程的學習中，減輕學生負擔。根據(jù)我校的教學條件，本文探索仿真軟件Proteus在《模擬電子技術》教學中的應用。

1 軟件介紹

仿真軟件Proteus是一款來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件。該軟件主要用于電路分析與實物仿真以及印制電路板的設計，它可以仿真、分析各種模擬電路與集成電路，軟件提供了大量模擬與數(shù)字元器件及外部設備，各種虛擬儀器(如電壓表、電流表、示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等)，它具有對單片機及其外圍電路組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能。Proteus除了具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動的。針對微處理器的應用，它還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件源碼級的實時調試。Proteus還組合了高級原理布圖、混合模式SPICE仿真,PCB設計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設計系統(tǒng)[1]。Proteus能夠很容易地為用戶建立完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。

Proteus軟件的特點是：1)實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能。2)支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3)提供軟件調試功能。在該軟件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。4)具有強大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大[2]。

仿真軟件Proteus安裝后，主要由兩個程序組成：ARES和ISIS.前者主要用于PCB自動或人工布線及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進行相應的仿真。除了上述基本應用之處，Proteus可以直接實時動態(tài)地模擬按鍵、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具如過濾器、邏輯分析儀進行相應的測量和觀測[3]。仿真軟件Proteus非常適合教學，是一個巨大的教學資源，它不僅可以應用到模擬電子技術、數(shù)字電子技術、單片機以及嵌入式系統(tǒng)等課程的教學中，而且可以應用到創(chuàng)新實驗、畢業(yè)設計、電子競賽中。

2 理論教學

將仿真軟件Proteus應用到《模擬電子技術》的理論教學中，就相當于把實驗室搬到了課堂上。這樣，任課老師可以在上課過程中把《模擬電子技術》中的基本的器件展示給同學們，還可以把基本電路的分析過程、分析結果、設計過程等一步步地演示給同學們。原來用語言不便描述的內容就能直觀地展現(xiàn)出來，需要復雜演算才能得出的結論就能直接反映出來，增強了教學的直觀性和生動性。課堂教學中采用Proteus，就省去了枯燥無味的理論推導，節(jié)約時間的同時，卻加深了學生對《模擬電子技術》理論內容的理解，從而在教學中起到實質性的突破。

在《模擬電子技術》的理論教學中引入Proteus，更有利于任課老師解決教學重點和難點。在《模擬電子技術》的教學中，放大電路靜態(tài)工作點的設置和動態(tài)參數(shù)的估算等既是教學重點也是教學難點。傳統(tǒng)的教學方法總是讓學生只知道二極管、雙極結型三極管、場效應管等這些器件名字及基本原理，但是學生不清楚有什么用，更不知道怎么用這些器件組成特定功能的模擬電路。但是借助于Proteus，就能讓學生很好地理解這些問題。

在放大電路中，靜態(tài)工作點是很重要的，它不但決定了放大電路是否會產(chǎn)生失真，而且還影響到電路的動態(tài)性能，如電壓增益、輸入電阻等，所以在設計或調試放大電路時，為獲得較好的性能，必須首先設置一個合適且穩(wěn)定的靜態(tài)工作點[4]。下面以圖1中基本共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)工作點的設置為例進行說明。

圖1 基本共射極放大電路

設置靜態(tài)工作點，其實就是通過外圍電路使雙極結型三極管Q1處于放大工作狀態(tài)。圖1中電源電壓VCC=10V，Q1的集電極靜態(tài)工作電流ICQ=1mA，那么只需確定電阻Rb和Rc的值。要想確定Rb和Rc的電阻值，必須首先知道Q1的β值。同一型號的兩個不同的雙極結型三極管的β值也不一定相同，而且這個器件的數(shù)據(jù)手冊上也只能給出一個范圍，比如雙極結型三極管2N3904的β值在30到300之間。那么怎么確定一個雙極結型三極管的β值呢？在傳統(tǒng)的上課方式中，很多學生學完了模擬電子技術都不知道怎么處理。現(xiàn)在任課老師可以在仿真環(huán)境Proteus中進行現(xiàn)場演示，給學生一個深刻的印象。通常采用基本共發(fā)射極放大電路確定雙極結型三極管的β值，如圖2所示。為了得到輸出電壓的最大動態(tài)范圍，靜態(tài)工作點應該設置在交流負載線的中點，也就是說集電極靜態(tài)工作電壓VCQ=VCC/2=5V.所以VRC=Rc×ICQ=VCC/2=5V，Rc=5KΩ.然后調整Rb，借助于Proteus中的電壓測量探針和電流測量探針監(jiān)測Q1的基極電壓VBQ、基極電流IBQ、集電極電壓VCQ和集電極電流ICQ，使集電極電流ICQ基本為1mA，集電極電壓VCQ約為5V，仿真結果如圖3所示。雙極結型三極管的β值為此時的集電極電流ICQ與基極電流之比IBQ，即β=ICQ/IBQ=0.00100249/7.18126e-6≈140.最后就可以根據(jù)ICQ和β計算出Rb，即Rb=(VCC-VBE)/IBQ=(VCC-VBE)β/ICQ≈1.3MΩ.經(jīng)過分析，圖1電路中的參數(shù)都確定下來。最后，給設計好的放大電路提供一個峰值為6mV、頻率為1KHz的正弦信號，并用示波器觀察輸入信號和輸出信號的波形，演示結果如圖4所示。

圖2 β值測量電路 圖3 靜態(tài)工作點仿真結果

圖4 演示結果

課堂上，學生通過老師在仿真環(huán)境Proteus中的每一步操作以及演示結果，就能深刻理解放大電路靜態(tài)工作點的重要性，熟練掌握放大電路靜態(tài)工作點的設置方法。將仿真軟件引入《模擬電子技術》理論教學中，模擬電路、電路中各個關鍵點的電壓、關健支路的電流以及輸入信號、輸出信號的波形都能形象地展現(xiàn)在屏幕上，使學生有一個直觀的感覺。這不僅使抽象的理論簡單化、平面的電路立體化，而且使教學過程生動化，促進學生對知識的記憶和理解。在《模擬電子技術》理論教學中引入Proteus，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了教學質量和教學效率，此外，還起到了理論與實踐相結合的作用。

3 實驗教學

目前，我校的《模擬電子技術》實驗課主要有兩種模式，一種是采用分立器件，另一種是采用模塊化的實驗箱。前一種上課模式，學生整體感覺實驗時間不夠用，收獲不大，因為他們把大部分時間用到了連接電路上，卻沒有時間考慮如何設計電路；老師要忙著提供元器件，還要課外再給學生提供實驗環(huán)境；元件損耗很大。后一種上課模式，學生雖然能很快做出實驗結果，但是很難搞懂電路的內部結構，一知半解，而且學生很難在課外時間進行實驗操作。

將仿真軟件Proteus應用到《模擬電子技術》的實驗教學中，解決了上面兩種教學模式的問題，打破了學生做實驗的時間限制和空間限制。在預習實驗時，學生就可以在自己的電腦上裝上仿真軟件Proteus進行仿真設計，以提高實驗課上的效率和降低元件、儀器等的損耗。實驗課后，不太理解的地方，學生也可以通過仿真來進一步進行操作?？傊?，只要有一臺電腦，學生就可以隨時在自己的電腦上進行仿真實驗。

除了基本的實驗外，老師可以布置一些設計項目，比如設計正弦信號發(fā)生器、串聯(lián)反饋式直流穩(wěn)壓電源。在經(jīng)濟上不需要額外投入的情況下，學生就可以根據(jù)知識的掌握程度自選設計題目，在Proteus環(huán)境中進行仿真設計。等仿真設計成功后，再購買或領取元器件、焊接電路、調試電路等。

此外，老師還可以指導學生應用Proteus仿真軟件開展課程設計和畢業(yè)設計，提高學生參加大學生電子設計競賽的能力?？傊抡孳浖roteus應用到在《模擬電子技術》實驗教學中是可行的，可以達到良好的教學效果。它克服了目前實驗中元件損耗大、實驗箱中硬件電路固定、學生不能更改、實驗內容固定等方面的局限性，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣，鍛煉了學生解決實踐工程問題的能力。

4 結束語

《模擬電子技術》的理論教學中采用仿真軟件Proteus，任課老師可以在課堂上模擬實際電路的設計與搭建過程，有利于提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，有助于學生有效的掌握所學知識，縮短從理論知識到實際應用的過程。

《模擬電子技術》的實驗教學中采用仿真軟件Proteus，起到了很好的輔助作用，既能解決元器件、儀器短缺的問題，又可以培養(yǎng)學生的實際操作能力及技能，提高學習效率。但是仿真軟件Proteus畢竟建立的只是一個虛擬環(huán)境，虛擬與現(xiàn)實還是有距離的，只能作為實驗教學的補充。

實踐證明，把Proteus應用到《模擬電子技術》的教學中，充分利用了當今新的教學資源和教學手段，不加重學生的學習負擔，讓理論教學與實驗教學找到新的結合點，達到了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]許文斌.Proteus軟件在單片機系統(tǒng)仿真實驗教學中的應用[J].商業(yè)經(jīng)濟,2006,(3):1～4.

[2]張文濤.Proteus仿真軟件應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.

[3]朱清慧,張鳳蕊,翟天嵩,等.Proteus教程——電子線路設計、制版與仿真[M].北京:清華大學出版社,2008.

[4]康華光.電子技術基礎(數(shù)字部分)(第五版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.