小議Proteus仿真的電子技術教課的革新范文

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1proteus系統簡介

1.1Proteus的組成Proteus是由英國Labcenter公司開發的EDA工具軟件。Proteus由兩個應用軟件組成：ISIS和ARES，ISIS是電路設計與仿真的基本平臺。ARES是高級PCB布線系統。本文主要涉及的系統設計與仿真，即ProteusISIS，高級PCB布線系統將不在此作介紹。Proteus提供了強大的元件庫，包括電阻、電容、晶體管、TTL系列、CMOS4000系列、存儲器和微處理器，以及其他一些常用的電路元件。除上述元器件外，Proteus還提供了多種虛擬儀器，如示波器、交流和直流電壓表、交流和直流電流表、定時器/計時器、信號發生器、邏輯分析儀等。Proteus還提供了一個圖表顯功能，可以將線路上變化的信號，以圖形方式實時顯示出來，它的作用類似于示波器。Proteus不僅是模擬電路，數字電路，模擬/數字混合電路設計和仿真平臺，更是目前最先進、最完整的嵌入式系統設計和仿真平臺，同時也是一個良好的電子技術教學、實驗和創新平臺。與其他軟件相比較，它具有模擬分析、數字分析、混合信號分析和頻率分析等電路分析功能，該軟件最大特點是能夠模擬微控制器和外圍電路的工作狀況。Proteus還提供了豐富的測試信號用于電路測試，除了傳統的信號發生器（正弦波，方波，鋸齒波信號）之外，還包括調幅波、調頻波、脈沖波形、掃頻信號、任意波形等信號。PROTUES還支持電路仿真模式VSM，當進行電路仿真時，可實現聲、光、動態圖形等形象逼真的效果，非常直觀地檢驗電路硬件及軟件設計狀況。

1.2Proteus的主要功能及資源⑴．ProteusISISISIS(IntelligentSchematicInputSystem，即智能原理圖輸入系統）是智能原理圖設計、繪制和編輯的環境，同時也是模擬電路、數字電路、數/?；旌想娐吩O計與仿真的環境，更是單片機應用系統的設計和協同仿真環境。它實際上是嵌入式系統(包括硬件電路和軟件)的設計與仿真平臺。⑵．PROSPICE混合模型仿真器ProteusVSM的核心是PROSPICE。它是結合ISIS使用的混合模型仿真器。它由SPICE3F5模擬仿真器內核和快速事件驅動數字仿真器(FastEvent-drivenDigitalSimulator)組成。由于它采用了SPICE內核，所以可選用眾多廠家提供的SPICE模型，并能象其他的EDA軟件那樣對各種由分立元件和集成元件構成的模擬電路、數字電路進行電路的仿真和分析。⑶．豐富的元器件模型庫•ProteusVSM提供了豐富的元器件庫，這些元器件庫包括：•微控制器模型：51系列、PIC系列、AVR系列、HC11系列、LPC系列以及ARM芯片等。•高級外設模型：虛擬儀器和分析工具、光電顯示模型和驅動模型、電動機模型和控制器模型、存儲器模型、溫度控制模型、計時模型、I2C/SPI規程模型、一線規程模型、RS-232/RS-485/RS422規程模型、ADC/DAC轉換模型、電源管理模型、拉普拉斯轉換模型、熱離子管模型、變換器模型等。•標準電子元器件：電阻、電容、二極管、晶體管、晶閘管、光耦、運放、555定時器、電源等。•74系列TTL和4000系列CMOS器件、接插件等。

•存儲器：ROM、RAM、EEPROM、I2C器件等。•微控制器支持的器件，如I/O口、USART等。⑷．激勵源ProteusVSM提供了包括：直流電壓源、正弦波發生器、脈沖發生器、指數脈沖發生器、單頻率調頻波信號發生器、模式信號發生器、單周期數字脈沖發生器、任意分段線性脈沖信號發生器、單邊沿信號發生器、音頻信號發生器、單穩態邏輯電平發生器、File信號發生器、數字時鐘信號發生器等13種激勵源。⑸．虛擬儀器ProteusVSM提供了包括：虛擬示波器、計數器/定時器、邏輯分析儀、信號發生器、虛擬終端、模式發生器、交直流電壓表和電流表、SPI調試器、I2C調試器等12種虛擬儀器。⑹．ASF高級圖表仿真圖表仿真以全圖形化的分析界面擴展了基礎仿真器的功能，其工作方法是把電路中某點對地的電壓或某條支路的電流相對時間軸的波形自動繪制出來，用于精確分析電路的各種性能，如頻率特性、噪聲特性等。ProteusVSM提供了包括：模擬圖表、數字圖表、混合模式圖表、頻率圖表、傳輸圖表、噪聲分析圖表、失真分析圖表、傅里葉分析圖表、音頻圖表、交互式分析圖表、性能分析圖表、DC掃描分析圖表、AC掃描分析圖表等13種仿真圖表。

2Proteus在電子技術類教學中的應用

2.1將Proteus引入電子技術類課程教學在傳統的電子技術類理論課教學中，有很多電路的原理講解是靠一些繁瑣的公式推導及孤立的計算數據來進行的，抽象而缺乏直觀性。如果將proteus所具有的即時、直觀、生動的電路仿真效果融入課堂理論教學中，將有利于學生迅速了解電路的工作原理，了解相關設備的作用，掌握相關參數的調整和各種工作量的測量方法等。根據具體教學內容，在理論教學過程中使用Proteus仿真技術進行教學演示，可使理論知識形象化、生動化，使原來難以理解的文字和電路變為可觀察的直觀形象，有助于學生對知識的理解和記憶。采用Proteus仿真技術，可以增強理論課教學的生動性和直觀性，有助于明確概念，解決難點，使得一些原來難以理解的器件特性、電路功能，變得容易理解和形象生動了。例如，在分析非線性器件二極管和三極管的伏安特性時，使用ProteusVSM提供的高級圖表仿真功能，可非常直觀的看到二極管、三極管的伏安特性曲線，并能在圖表分析窗口中對觀測點進行測量，得到觀測點的相關數據。

二極管伏安特性測量電路如圖1所示，精確顯示其伏安特性曲線的圖表窗口如圖2所示三極管伏安特性測量電路如圖3所示，精確顯示其伏安特性曲線的圖表窗口如圖4所示。使用ProteusVSM的高級圖表仿真功能，使得課堂教學中常遇到的電路分析，如直流工作點分析，瞬態分析、頻率分析、轉移特性分析、參數掃描分析、失真分析，傅里葉分析等這些常常是教師難講，學生難學的教學內容，講解和理解起來變得簡單和容易了。

除了高級圖表仿真功能，ProteusVSM的動態仿真更是在課堂教學演示中常用的功能。以二極管的半波整流電路為例，如圖5所示，當按圖中所示放置好元器件并設置好相關參數后，點擊“開始”按鈕，即可看到圖5中的動態效果。圖中的交流電壓源里有一個紅色圓點和一段正弦曲線，紅色小圓點沒正弦曲線運動，動態表示交流電壓的變化；圖中帶箭頭的連線，表示線路中的電流方向；線路的顏色表示線路中電平的高低變化。在圖中還可通過直流電壓表看到小燈兩端的電壓變化情況，隨著電壓的變化，小燈的亮度也跟著發生變化；隨著二極管的導通和截止，還能看到電容C1上的充放電情況。所有的這一切都展示了Pro－teusVSM的動態仿真效果，既有圖形的動畫效果，又有虛擬儀器(直流電壓表和電流表)的動態數據顯示。圖6是由四個D型觸發器構成的四位二進制計數器的時序邏輯電路的動態仿真。從圖中的數碼管顯示上可看到計數的數字，從四個邏輯探頭中也可看到顯示數字的二進制編碼，同時，圖中在各元器件的引腳上以紅色和藍色小方塊表明了引腳上電平的高低。

2.2基于Proteus仿真的電子技術實驗教學電子技術類課程是實踐性很強的課程，實驗教學環節是其中的重要環節，必須得到高度重視。Proteus仿真軟件不但提供了豐富的仿真元器件，還提供了豐富的用于調試和測量的虛擬工具，并且為我們提供了各種的輸入信號和顯示器件，以滿足仿真實驗的要求。對于由硬件設備不足等環境因素造成的實驗開設量不夠的情況，通過使用Proteus仿真軟件，可以滿足當前課程的實驗開設要求，從而提高實驗教學的教學質量。下面以用555集成元件構成的可調多諧振蕩器(仿真電路圖如圖7所示)為例，來說明使用Proteus開設仿真實驗的方法。按圖7連接好電路后，點擊“開始”按鈕，仿真電路開始運行，觀察電路的輸出波形，如圖8所示。改變電路的相關參數，可看到輸出波形隨參數變化的過程，由此可對輸出信號與參數的關系作出總結，達理解電路性能的效果。采用同樣的仿真方法，可對模擬電路、數字電路的其他教學內容做出達到預期的實驗結果。

2.3基于Proteus仿真的課程設計和畢業設計課程設計、畢業設計是以學生為主的實踐教學活動，是學生走向就業的重要實踐環節。而對于缺少實驗準備和操作經驗的學生來說，在設計過程中造成元器件、儀器和儀表的損壞是難免的，這就需要學校承擔更多的教學費用。隨著我國大學擴招帶來的學生多、實驗設備和器材少等問題，學?，F有的實驗設備和器材更是捉襟見肘。使用Proteus仿真軟件開展課程設計、畢業設計，實驗設備和費用的短缺將不再是問題，Proteus使每個學生都擁有了非常完整的虛擬實驗平臺。學生可先用Proteus進行自主設計與仿真，由于不存在損壞器材的擔擾，學生可在ProteusISIS窗口中大膽進行電路設計、測量、調試、修改，且在安裝實物作品前就可看到結果。仿真結果成功后，只要安裝正確無誤，焊接可靠，布線合理，實際作品可得到與Proteus設計與仿真一致的結果。這種方法可以節省因方案不正確所造成硬件投入的浪費，并且在實驗過程中不會出現元器件的損耗問題。使學生獨立操作能力和創造力都得到發揮。

3結束語

利用Proteus仿真軟件生動、直觀的仿真效果，不僅化解了傳統教學中的授課難點，使原來繁瑣而抽象的理論分析圖形化，而且其所具有的聲、光、動態圖形等形象直觀效果能激發學生的學習興趣，使學生愿意去學原來害怕學的理論知識。Proteus不僅可以作為學校教學的模擬仿真平臺，也可以作為個人工作室的仿真實驗平臺。作為電子信息類相關專業的學生和工程技術人員，在學習了該軟件后，可以充分地利用它所提供的資源，幫助自己提高工程應用能力。在電子技術類課程教學中，利用Proteus軟件的圖形化交互式仿真，可將電子技術類課程的各個教學環節有機的結合起來，從而達到激發了學生的學習興趣，提高學習動力，開拓學生的視野，增強綜合運用知識和實際動手能力的目的，使原來枯燥無味的理論知識學習變得生動起來，提高創新素質和創造能力。

作者：高軼徐小棟單位：云南能源職業技術學院