Proteus仿真软件在电子技术课程教学中的应用实践
摘要：Proteus仿真软件是目前功能最全、最先进的EDA工具，本文在实际教学基础上介绍了Proteus在模拟、数字电子技术课程的课堂教学、实验、课程设计等各教学环节中的应用实例及体会。
关键词：Proteus；电子技术；仿真
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0215-02
一、引言
将EDA（Electronic Design Automatic，电路设计自动化）软件应用于电子电路的辅助教学，可以使课堂讲解和实验演示更生动、形象，使学生更快、更好地掌握课堂教学的内容，加深对概念、原理的理解。目前常用于电路设计、分析的EDA软件有PSpice、Protel、Multisim（EWB）和Proteus等，其中Proteus除了可以仿真、分析各种模拟和数字电路以外，其最大的特点是可以支持许多型号的微处理器仿真，所以非常适合电子信息专业基础课，如电路、模拟电子技术、数字电子技术、高频电路、通信原理和单片机等课程的辅助教学。
二、Proteus仿真软件
Proteus仿真开发平台是由英国Labcenter公司开发的，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，是一个完整的硬件、软件设计仿真平台，包括原理图输入系统ISIS、带扩展的ProSpice混合模型仿真器、动态器件库、高级图形分析模块和处理器虚拟系统仿真模型VSM，主要特点有以下几点。
1.可以仿真数千种模拟、数字器件和集成电路，并且提供了大量的动态仿真器件，使仿真运行效果更逼真；支持多种型号的微处理器、微控制器芯片的仿真，如51系列、PIC系列、AVR系列单片机、摩托罗拉的68MH1l系列，以及philips的LPC系列ARM芯片等。
2.Proteus的仿真是基于SPICE3F5的，因此它也能像其他的EDA软件那样对各种分立与集成的模拟、数字进行电路分析，如模拟分析、数字分析、混合信号分析、频率分析等。
3.提供了虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电表、虚拟终端（VirtualTerminal使用电脑的键盘和显示器通过串口与外部的单片机系统通讯）等虚拟仪器仪表供选用。
4.由ISIS及ARES两大功能模块构成，既能够进行SCH（原理图）的设计，也能够进行PCB（印制板）的设计，并且在ISIS环境中能够对设计的电路进行交互式实时仿真。
5.能和Keil、Matlab等软件整合使用，使得用户可以在设计中直接编辑修改源代码，并即时观察运行效果。
鉴于proteus软件的特点，我们将proteus的应用融合进了教学的多个环节，进行了较为深入的实践应用。
三、Proteus在电子技术课程教学中的应用
模拟电子技术、数字电子技术是电子技术课程的两个分支，模拟电子技术一般设置在数字电子技术之前，这两门课程是电类相关专业的专业基础课，是后续专业课程的基石，具有实践性、系统性较强的特点，并且课程内容较多，相对学时较少。为了加强课程的学习，对于电子信息专业的学生我们在培养计划中设置了理论教学、实验、课程设计等环节，结合各个教学环节的特点，我们辅助应用proteus仿真软件加强教学效果，有效地提高了学生电子线路系统性设计及创新性的能力。
1.在模拟电子技术课堂教学中，将proteus的交互式仿真运行融于基于多媒体的课堂理论教学之中，具有即时、直观、生动的特点，有利于学生快速理解电路工作原理，了解相关器件的作用、掌握参数的调整、电量的测量方法等。模拟电子技术的主要教学内容是采用工程近似法对非线性器件二极管和三极管构成的单级、多级放大电路及集成放大电路的工作原理和性能指标的分析计算。我们利用proteus的ISIS编辑环境功能结合教材上的电路，搭建了各个章节中的主要基本单元电路的仿真原理电路，在相关教学内容中尽量充分利用仿真电路增强课堂教学的效果。例如在讲解固定偏流共射组态放大电路时，结合图1，分析了电路的静态、动态工作原理，利用交互式仿真功能，在断开vi时，调整相关器件参数，在虚拟电压表、电流表上观察Q点相关电量的值的变化。在加入vi时，利用示波器或通过添加探针，利用模拟图表观察输入输出波形放大情况和相位关系，同时还可以通过改变输入信号幅度或元件参数大小分析输出动态范围，观察饱和、截止失真，使学生在理论学习的同时，能够感受实验操作的生动性，提高学生的学习兴趣，并加快知识的掌握，为实验课程做好铺垫，避免学生在用实验箱进行实验时，不明就里，只按照指导书盲目接线测量。
在数字电子技术的教学中，proteus的仿真作用更加有效和形象直观。在基本逻辑门电路、门电路或集成电路构成的组合电路、时序电路、波形产生及电源电路的教学过程中，都融入了仿真电路运行演示，增强课堂教学效果，并且设计了有关单元电路的综合应用电路。例如，在讲完编码器、显示译码器后，仿真演示了如图2所示的组合应用电路，该电路能将BCD优先编码器74LS147的最高编码通过显示译码器74LS48驱动显示在数码管上，同时也可以改变译码器的控制信号状态，展示74LS48的功能，使学生对单元电路的原理、应用、接口、系统性有了更深入的理解。
又如，对于利用加法器实现减法运算的应用，我们设计了图3所示的电路，说明了加法器的应用及有符号数的补码、原码之间的关系，该电路可以将两个4位二进制数的差以原码的方式输出。
作业是学生巩固课堂所学知识不可或缺的环节，在布置作业时，我们建议学生对于设计性的题目利用仿真软件完成，加强电路设计、原理、功能等方面的理解。
2.利用proteus辅助实验及课程设计。虽然模电、数电实验都有现成的实验箱，但是硬件是固定的，实验课时是有限的，并且必须在规定的时间地点进行。而proteus却可以不受时间场地的限制，器件选择上也更具灵活便利性，虽然不能代替硬件实验，却是很好的辅助工具。在实验课的基础上，我们鼓励学生结合实验教材，利用proteus软件设计调试没有安排进实验课的有关电路，不少学生都根据自己的兴趣爱好设计调试了相关电路，培养了学生的自主学习能力。课程设计安排在理论教学及实验课结束之后，是电子技术课程重要的实践教学环节，经过前两个教学环节的学习，学生已经初步具备了分析设计、调试基本单元电路的能力。综合考虑系统性、实用性、启发性等因素，我们给学生提供了多个难度适中的选题，学生也可以自行选择合适的选题。要求学生首先利用proteus软件仿真电路，充分理解系统电路的工作原理，再安装制作、调试实际硬件电路系统，实现系统功能，PCB板的设计也最好利用proteus的ARES模块实现。学生按要求历经基于仿真基础上的综合应用电路的设计、分析、安装调试硬件电路的过程，进一步巩固了基本单元电路的掌握和应用，增强了系统设计的能力与综合分析问题、解决问题的能力，收获很大。
四、结语
在电子技术课程教学中，利用仿真软件将理论教学、实验和课程设计有机结合，提高了电子技术课程的教学效果，开发了学生自主学习的潜在能力，激发了学生的学习兴趣和创新意识，开拓了学生的视野，增强了学生综合运用知识的能力和实际动手能力，为后续高频电路、单片机等专业课程的学习以及参加电子设计竞赛等奠定了夯实的基础。在今后的教学实践中，我们将更加深入地研究、探索更加行之有效的教学方法。
参考文献：
[1]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2011.
[2]周润景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
作者简介：孟哲（1963-），硕士，副教授，研究方向为信号采集与处理。