鄭子超

（南京工程學(xué)院 工業(yè)中心、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院 江蘇 南京 211167）

引言

進入21世紀以來，隨著智能化、信息化的進一步發(fā)展，電子技術(shù)與電子設(shè)備在各行各業(yè)應(yīng)用愈加廣泛，作用愈加重要；高校里，傳統(tǒng)意義上的工科非電類專業(yè)也應(yīng)用到更多的電學(xué)知識和實驗設(shè)備。因此在各大院校中，幾乎所有的工科專業(yè)，都普遍開設(shè)了電工電子技術(shù)類課程，模擬電子技術(shù)是其中一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。這門課程的工程性非常強，內(nèi)容抽象且邏輯體系嚴密，底層機理又較為復(fù)雜，因此在教學(xué)活動中，學(xué)生普遍認為該門課程難度太大，不好掌握。為了改進教學(xué)效果，降低學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們在教學(xué)中引入了Proteus仿真軟件，作為線上和線下教學(xué)相結(jié)合、虛擬與實際相驗證的一種有效手段；也是新工科背景下，引入先進的技術(shù)手段，將虛擬仿真實驗室?guī)肴粘＝虒W(xué)的一次實踐。在理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)都引入了該仿真軟件，事實證明這種模式豐富了教學(xué)手段，提高了學(xué)習(xí)興趣，降低了學(xué)習(xí)難度和實驗成本，取得了良好的教學(xué)效果。

一、Proteus虛擬仿真技術(shù)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

Proteus 是當今最為流行的EDA工具（仿真軟件）之一，從原理圖設(shè)計到程序調(diào)試乃至于MPU與外圍電路的聯(lián)合仿真，以及PCB設(shè)計，都可以實現(xiàn)，完成了從概念到產(chǎn)品的整個流程設(shè)計，在工業(yè)應(yīng)用和課程教學(xué)中被廣泛采用。電路仿真給學(xué)生迅速且有趣的工具，軟件解決能讓教師準備并反復(fù)使用此虛擬實驗室，豐富的網(wǎng)絡(luò)資源能讓學(xué)生在實驗室之外就可以完成電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識及仿真[1-2]。

1.Proteus在理論教學(xué)中的應(yīng)用

由于時代發(fā)展，新技術(shù)層出不窮，導(dǎo)致現(xiàn)在課程普遍短學(xué)時化，但相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容并沒有減少太多。這不但對教師的教授是一個極大的考驗，如何在盡量短的課時內(nèi)完成完整的課程體系，也對學(xué)生的吸收掌握提出了更高的要求。為了解決這個問題，教研組提出，除了更加精煉講解、減少復(fù)雜公式推導(dǎo)以外，也要增加直觀演示環(huán)節(jié)。比如在三極管放大電路的講解中，迅速講解理論知識后，為了讓同學(xué)們有一個直觀的認識，教師在上課之前提前做好相應(yīng)的Protest仿真模型，用虛擬儀表顯示出各個節(jié)點的電壓和電流。如圖1所示，為了說明分壓電阻的選擇，在演示的時候多次修改電阻值并操作電容C，讓學(xué)生看到不同的電阻可以讓三極管分別工作在截止飽和放大三種狀態(tài)。這種視覺的觀察，一方面增加了課堂講授的手段，讓學(xué)生不是一直在聽抽象的理論，同時仿真視覺足夠直觀，能給學(xué)生留下比較深刻的印象[3]。

圖1 一個基本的三極管放大電路

信號發(fā)生電路也是模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中的一個難點，關(guān)鍵在于起振條件以及平衡條件難以想象。那么使用Proteus仿真軟件之后，可以清楚地看到各點電位高低、波形變化等，非常直觀。如圖2所示，是一個電容三點式振蕩電路。該電路中，C1是耦合電容，對振蕩信號頻率可以視為短路；反饋信號取自電容C4，從而形成電容三點式電路。電源Vcc通過電阻R2接到BJT的集電極，以避免電源將振蕩電路的高頻信號短路。大功率電路中，也可以用高頻扼流圈也就是一個線圈代替R2。電容三點式具有LC并聯(lián)回路，因此電容C3、C4的三個端子的相位關(guān)系可以用瞬時極性法判斷。假設(shè)從C1處斷開，而加入正極性的瞬時信號，則得到BJT的集電極的電位瞬時極性為-，由于C3、C4中間是接參考點的，因此為零電位，故L1兩端的極性相反，下端為正極性，與BJT基極同極性，因此滿足了相位平衡。由于電容對高次諧波呈現(xiàn)出較小的容抗，因此反饋信號中高次諧波成分較少，該電路的輸出信號的波形就較好。同時，可以在演示時試著改變電容的大小，則可以調(diào)整振蕩電路的輸出頻率，不可避免的，反饋的大小也被改變了，因此輸出信號的幅度也隨之改變，嚴重時甚至能使電路徹底停振。這些現(xiàn)象，如果只順帶講一下，是不可能給學(xué)生留下深刻印象的，但是在仿真軟件中就可以有一個非常直觀形象的演示，從而能給學(xué)生留下深刻的印象。當然也可以直接觀察振蕩起振的過程。

圖2 電容三點式振蕩電路

遲滯比較器在信號產(chǎn)生電路中具有非常基礎(chǔ)和普遍的作用，在模擬電子技術(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)中，涉及到方波、三角波、鋸齒波等基本信號的產(chǎn)生。但是學(xué)生對遲滯回環(huán)傳輸特性難以理解和把握。如圖3所示，在反相輸入單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)成了具有雙門限值的反向輸入遲滯比較器；若調(diào)換Vi與Vref的位置，那么就可以組成同相輸入遲滯比較器。由于正反饋作用，這種比較器的門限電壓是隨著輸出電壓vo的變化而變化，其抗干擾能力會大大增強。在教學(xué)中，通過演示單門限比較器和遲滯比較器的輸出波形，會讓學(xué)生產(chǎn)生很直觀的認識，從而也為理解后續(xù)的基本波形產(chǎn)生電路的原理打下基礎(chǔ)。改變電路中電阻的大小，門限電壓也會很清楚的在示波器上觀察到。電路的線性工作與非線性工作是一個重點也是難點。在以往的教學(xué)中，往往學(xué)完之后學(xué)生對于這些區(qū)別也懵懵懂懂。課程中第一次接觸到正反饋電路，與絕大部分情況下的線性工作完全不同，比較器是開環(huán)接法或者正反饋接法，這樣的觀察能讓初學(xué)者將非線性工作狀態(tài)下的比較器電路及信號產(chǎn)生電路與放大電路清晰的區(qū)分開來，明確的看到輸出電壓的高電平VOH、低電平VOL和輸出電壓的跳變方向，加深印象；這一點也是模擬電路學(xué)習(xí)中一個特別容易混淆的知識點。

2.Proteus在實踐環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

為了提高學(xué)生實踐動手能力，真正掌握所學(xué)專業(yè)知識，各大院校比以前更加重視課程實訓(xùn)環(huán)節(jié)，模擬電子技術(shù)更是如此。一般會選擇一個課題，讓學(xué)生在2-3周內(nèi)實現(xiàn)。以筆者所在教研室的自動尋跡小車為例。在不使用仿真軟件之前，學(xué)生只能通過查看數(shù)據(jù)手冊、書籍和網(wǎng)絡(luò)，進行一系列的推導(dǎo)運算，去選擇合適的器件，然后進行實物的焊接和實測。但是這個過程會產(chǎn)生一系列的問題，一方面試錯成本較高，尤其在新冠疫情嚴重的情況下電子器件價格高；另外容易延誤達成時間；第三也不方便觀察器件參數(shù)調(diào)整導(dǎo)致的各種電路現(xiàn)象，而這是一名合格的電子工程師成長的必由之路。如果教師把所有的參數(shù)和方案都告訴學(xué)生，就失去了讓學(xué)生自己動手去做的意義，完全成了焊接和測量課，一旦有誤容易打擊學(xué)生的情緒，從根本上讓學(xué)生不敢去進行創(chuàng)新思路設(shè)計。采用Proteus仿真軟件之后，這些問題基本都可以克服。學(xué)生可以在基本理論的指導(dǎo)下，獨立思考，有時會想出一些比較有特色的設(shè)計方案，讓實訓(xùn)課程出現(xiàn)一些驚喜，極大地鼓舞學(xué)生的創(chuàng)新思維。在尋跡小車設(shè)計中，經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤有電阻R阻值選擇不當導(dǎo)致輸出電壓V長高或長低、二極管接反電動機無法轉(zhuǎn)動、顯示模塊限流電阻過大過小等。比如圖3傳感器比較器模塊，采用RPR220作為核心器件，發(fā)射管R1的偏置電阻作為限流電阻，防止發(fā)射管被燒毀，不宜過大，經(jīng)過查找手冊，選為100歐姆為宜。接收管上拉電阻R2、比較器上拉電阻R5阻值也需要精心設(shè)置，經(jīng)常有學(xué)生不太重視阻值選擇，不細心查閱手冊而隨意設(shè)置，一旦阻值過小就會分別導(dǎo)致光電管易損壞、集電極輸出長高，和比較器的輸出長高，分別使指示二極管常亮和常滅。而電路已經(jīng)焊接完畢，學(xué)生在檢查中往往忽視阻值大小，檢查許久也不容易找到原因，因為焊接和連線均沒有問題，因此頻繁詢問教師或者重新焊接器件，容易導(dǎo)致焦慮和進度拖后。

圖3 傳感器比較器模塊

這里暴露出來一些問題，雖然指導(dǎo)老師強調(diào)多次，但是因為學(xué)生是第一次做這種既考查理論又要求較高焊接水平的實訓(xùn)課程，所以有些學(xué)生沒有耐心聽清楚老師的指示就急于動手。另外電子儀器使用不夠熟練，或者不知道用萬用表去測試各點的電位，以推斷電路出現(xiàn)問題的原因所在，結(jié)果就是反復(fù)地查找和更換器件，也造成了比較大的浪費。

采用Proteus仿真軟件，并強制檢查仿真結(jié)果，一方面進行任務(wù)分解，讓學(xué)生在焊接之前，能夠知道選用電阻不同結(jié)果會截然不同。另一方面如圖3所示在關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置虛擬儀表，讓學(xué)生能夠知道傳感器在檢測到黑色地面和白色地面之后，所測得兩種狀態(tài)下的電壓值分別代表什么含義。第三方便學(xué)生改變阻值查看造成的不同現(xiàn)象。這樣潛移默化地就讓學(xué)生知道設(shè)計中各種儀器儀表的重要作用。同時學(xué)生在出現(xiàn)問題時就不會簡單地找老師求教，而是能夠首先在軟件中比較明顯地自己發(fā)現(xiàn)問題，能夠分組討論解決問題，與實訓(xùn)課程的目的完美契合。

另外一個容易出現(xiàn)的問題，如圖4在做數(shù)碼管計數(shù)顯示電路部分時，很多人對是否接上了電阻存疑。其實74LS47輸出端并非集電極開路門，但有些學(xué)生本著接了也不會出錯的想法，統(tǒng)一都接上了。這樣一方面增加了焊接工作量，另一方面也造成了浪費和出錯的幾率。另外對限流的認識不夠深刻，選擇比較隨意。如果選的電阻很小就會把數(shù)碼管燒掉了。尤其是如果限流電阻選擇過大，數(shù)碼管一直不亮。在授課講解時，要注意的事項過多，僅靠教師強調(diào)，是無法全部記下的?，F(xiàn)在讓學(xué)生自己搭建電路認真去做仿真，能夠使他們充分理解元件的工作原理和器件性能，所以上面這種情況是不會出現(xiàn)的。電子輔助設(shè)計EDA軟件在工業(yè)企業(yè)中也越來越重要。電路設(shè)計中如果沒有好的EDA軟件，就無法完成設(shè)計和驗證。當前我國電子行業(yè)中一個極為迫切的短板就是這方面幾乎完全依賴國外輔助設(shè)計軟件，這造成了一些高精尖細分行業(yè)被國外卡脖子。我們在電子教學(xué)中有意引入輔助設(shè)計軟件，可以讓學(xué)生在求學(xué)時就開始重視仿真軟件，并熟悉應(yīng)用，跟就業(yè)市場能有一個良好的對接，對未來行業(yè)的發(fā)展也非常有利。

圖4 計數(shù)顯示模塊

二、結(jié)論

模擬電子技術(shù)及相關(guān)課程亟需改革，仿真技術(shù)非常適用于這些課程的教學(xué)過程。通過引入Proteus仿真軟件，可以提高教學(xué)效果，解決實驗室管理方面的困難，幫助學(xué)生更加扎實地掌握課程的內(nèi)容，提高動手能力，減輕學(xué)生負擔，釋放學(xué)生的創(chuàng)造力，也能減少一些不必要的浪費。對于理論教學(xué)，傳統(tǒng)的板書加幻燈片教學(xué)模式，是一種良好的改進；在實踐環(huán)節(jié)更能發(fā)揮巨大的作用。讓學(xué)生理論結(jié)合實際，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。同時也促進教師不斷改進教學(xué)水平和方法，提高綜合業(yè)務(wù)水平。