Proteus在电气信息类实验教学改革中的应用

叶继英， 李　林， 姚齐国， 徐　乐

(浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江　舟山　316022)



Proteus在电气信息类实验教学改革中的应用

叶继英， 李林， 姚齐国， 徐乐

(浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江舟山316022)

摘要：针对电气自动化专业人才培养的特点，提出了Proteus仿真软件在电气信息类实验教学改革中的应用。通过Proteus软件在模拟电子技术、数字电子技术以及单片机课程中的应用举例表明，该教学改革方案不仅能提高实验教学质量，还能提高学生的创新思维和学习能力。

关键词：Proteus；仿真；模拟电子技术；数字电子技术；单片机

0前言

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，系统包括ISIS.EXE(电路原理图设计、电路原理仿真)、ARES.EXE(印刷电路板设计)两个主要程序三大基本功能。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路[1-2]。该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合；支持主流单片机系统的仿真；提供软件调试功能；具有强大的原理图绘制功能。

电气工程及其自动化专业培养的是系统运行、自动控制、电工技术、电子技术、信息处理以及计算机技术应用等领域工作的宽口径“复合型”高级工程技术人才。主要课程除大学公共课、基础课外，主要开设电路原理、电子技术基础、电机学、自动控制原理、信号与系统、电力电子技术、单片机原理及应用技术等课程。在实践教学和理论教学合理使用Proteus仿真软件，不仅能提高课堂教学质量，还能提高学生的实践能力和创新思维能力。文章从模电、数电、单片机这三个方面入手，通过举例分析Proteus在电气信息类实验教学改革中的应用。

1Proteus在模拟电子技术中的应用

电子技术是高等学校电气信息类专业的一门重要专业基础课，其中模拟电路非常重要，它所涉及的实验内容是相关专业学生所必须掌握的，其中放大又是模拟电路最重要的一种功能。学生对于这一部分内容比较难掌握，特别是放大电路的静态特性分析[3]。文章以此为例，应用Proteus软件画出基本放大电路，并在图上添加电流表、电压指针和示波器，把最终的仿真结果跟理论计算、实验板测试数据进行比较。

1.1　静态分析

静态时，在晶体管的输入特性和输出特性上所对应的工作点为静态工作点。静态工作点选择的是否合适将会影响到动态时的放大质量，应保证动态时在输入信号的整个周期内晶体管都处于放大状态，而不会产生截止失真或者饱和失真。

这里采用估算法来确定。

计算如下：

VCE=VCC-IC(RC+RE)=12-1.15×(3+2)=6.25V

理论计算结果如表1所示。

表1　静态工作点的理论计算

1.2　动态分析

电压放大倍数：

其中，晶体管输入电阻：

理论计算结果如表2所示。

表2　基本放大电路的电压放大倍数测量值

显然利用Proteus进行仿真，可以很快地得出所需波形，仿真中的电阻值、信号大小可以随意改变，实验后再进行仿真还可以进一步掌握理论知识，仿真实验不受场地的限制。

2Proteus在数字电子技术中的应用

数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，包括门电路、组合逻辑、触发器等。在数字系统中使用得最多的时序电路是计数器。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。

采用两片同步十进制加法计数器74LS160接成百进制计数器。各芯片之间的连接方式可分为串行进位方式、并行进位方式、整体置零方式和整体置数方式，文章采用并行进位方式连接，即以低位片的进位输出信号作为高位片的工作状态控制信号，两片的时钟信号输入端同时连接[4]。

利用Proteus软件进行仿真。首先选择器件：74160两个、LOGICTOGGLE两个、LOGICPROBE八个、信号发生器DCLOCK一个、数码管7SEG-BCD两个。时钟DCLOCK选择频率为1Hz，这样就会1s计数一次。如图3连接后，按下软件正下方的运行按钮▷，数码管会从“00”一直运行到“99”，并循环计数。如果要设计成百位、千位计数，只需增加主芯片74160、数码管等器件，以图中相同的接法再连接上去即可。

由此可知，Proteus仿真软件可以非常灵活地应用于数字电子课程设计，不受实际元器件的限制，特别是一些专用芯片的应用。仿真电路灵活多变，选择不同的元器件就可组成所需电路，可得到与实际电路板相同的实验结果，有助于学生增加对这门课的学习兴趣，加深理解。

3Proteus在单片机中的应用

单片机教学包括理论教学与实践教学，而实践教学对学生更好地掌握该课程更为重要[5]。在传统的单片机实践教学中，需要大量的实验仪器和设备，硬件投入大，学生想自己拥有一套开发设备不太现实。Proteus是一种低投资的电子设计自动化软件，能够软件仿真MCS-51单片机，只要给出电路图即可仿真硬件电路[6]。如果将该软件与Keil搭配使用，便可在计算机上构建一个单片机虚拟实验室，方便学生进行实践和学习。

以下以电子音乐为例，主芯片为89C51，系统具有音乐播放和按键弹奏功能，发光二极管D1、D2作为指示灯使用，P3.2和P3.3接入的按键具有切换功能。只需将Keil编译好的执行文件.exe装入单片机，如果程序编译正确，则可在音响中听到电子音乐。

4结语

Proteus仿真软件应用在电气信息类实验课程教学中是切实可行的，具有比较明显的优势，包括涉及的实验内容全面、硬件投入少、学生可自行实验、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等优点。教师在课堂教学中摆脱了仪器设备的束缚，利用仿真软件可以灵活多变地组合电路，提高教学质量；学生可自行设计硬件电路或者软件编程，采用Proteus仿真软件进行虚拟实验。总之，使用Proteus仿真软件可以提高学生的学习兴趣，扩展学生的设计思路，加强学生的工程实践能力。Proteus仿真软件可作为电气信息类实验课程教学的辅助工具而得到广泛应用。

参考文献：

[1] 汪宁.Proteus软件的单片机仿真方法[J].山东轻工业学院学报,2007,21(1):24-27.

[2] 千承辉,凌振宝,田宝凤.Proteus仿真在电子测量实验课程中的应用研究[J].实验室科学,2013,23(3):19-23.

[3] 周长源.电路理论基础[M].北京:高等教育出版社,1996.

[4] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2005.

[5] 高惠芳.单片机原理与应用技术[M].北京:科学出版社,2010.

[6] 徐爱均.单片机原理实用教程——基于Proteus虚拟仿真[M].北京:电子工业出版社,2009.

[责任编辑：王敏]

Application of Proteus in Electric Information Experiment Teaching Reform

YEJi-ying,LILin,YAOQi-guo,XULe

(SchoolofNavalArchitecture&OceanEngineering,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316022,China)

Abstract:The Proteus simulation software is presented in the application of electric information experiment teaching reform according to the characteristics of talent training of electrical automation major. The examples of the Proteus software used in the courses of analog electronic technology, digital electronic technology and single chip microcomputer show that the teaching reform scheme can not only improve the experiment teaching quality, but also improve the students′ innovative thinking and learning ability.

Key words:Proteus; simulation; analog electronic technology; digital electronic technology; single chip microcomputer

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2015)01- 0118- 04

作者简介：叶继英(1979-)，女，浙江台州人，硕士，实验师，主要研究方向：控制工程。姚齐国(1966-)，男，湖北公安县人，博士，副教授，主要研究方向：系统建模与仿真；电路分析及应用；优化运算与运行；混沌理论及其应用。

基金项目：浙江省2014年度高校实验室工作研究项目(项目编号：YB201424)；浙江省财政厅机械与电气专业群实验室建设设备采购项目(项目编号：NBITC-20145106G)；浙江海洋学院科研项目(项目编号：浙海院研〔2012〕20号)。

收稿日期：2015- 01-18