小议Proteus仿真的电子技术教课的革新范文

1Proteus系统简介

1.1Proteus的组成Proteus是由英国Labcenter公司开发的EDA工具软件。Proteus由两个应用软件组成：ISIS和ARES，ISIS是电路设计与仿真的基本平台。ARES是高级PCB布线系统。本文主要涉及的系统设计与仿真，即ProteusISIS，高级PCB布线系统将不在此作介绍。Proteus提供了强大的元件库，包括电阻、电容、晶体管、TTL系列、CMOS4000系列、存储器和微处理器，以及其他一些常用的电路元件。除上述元器件外，Proteus还提供了多种虚拟仪器，如示波器、交流和直流电压表、交流和直流电流表、定时器/计时器、信号发生器、逻辑分析仪等。Proteus还提供了一个图表显功能，可以将线路上变化的信号，以图形方式实时显示出来，它的作用类似于示波器。Proteus不仅是模拟电路，数字电路，模拟/数字混合电路设计和仿真平台，更是目前最先进、最完整的嵌入式系统设计和仿真平台，同时也是一个良好的电子技术教学、实验和创新平台。与其他软件相比较，它具有模拟分析、数字分析、混合信号分析和频率分析等电路分析功能，该软件最大特点是能够模拟微控制器和电路的工作状况。Proteus还提供了丰富的测试信号用于电路测试，除了传统的信号发生器（正弦波，方波，锯齿波信号）之外，还包括调幅波、调频波、脉冲波形、扫频信号、任意波形等信号。PROTUES还支持电路仿真模式VSM，当进行电路仿真时，可实现声、光、动态图形等形象逼真的效果，非常直观地检验电路硬件及软件设计状况。

1.2Proteus的主要功能及资源⑴．ProteusISISISIS(IntelligentSchematicInputSystem，即智能原理图输入系统）是智能原理图设计、绘制和编辑的环境，同时也是模拟电路、数字电路、数/模混合电路设计与仿真的环境，更是单片机应用系统的设计和协同仿真环境。它实际上是嵌入式系统(包括硬件电路和软件)的设计与仿真平台。⑵．PROSPICE混合模型仿真器ProteusVSM的核心是PROSPICE。它是结合ISIS使用的混合模型仿真器。它由SPICE3F5模拟仿真器内核和快速事件驱动数字仿真器(FastEvent-drivenDigitalSimulator)组成。由于它采用了SPICE内核，所以可选用众多厂家提供的SPICE模型，并能象其他的EDA软件那样对各种由分立元件和集成元件构成的模拟电路、数字电路进行电路的仿真和分析。⑶．丰富的元器件模型库•ProteusVSM提供了丰富的元器件库，这些元器件库包括：•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。•高级外设模型：虚拟仪器和分析工具、光电显示模型和驱动模型、电动机模型和控制器模型、存储器模型、温度控制模型、计时模型、I2C/SPI规程模型、一线规程模型、RS-232/RS-485/RS422规程模型、ADC/DAC转换模型、电源管理模型、拉普拉斯转换模型、热离子管模型、变换器模型等。•标准电子元器件：电阻、电容、二极管、晶体管、晶闸管、光耦、运放、555定时器、电源等。•74系列TTL和4000系列CMOS器件、接插件等。

•存储器：ROM、RAM、EEPROM、I2C器件等。•微控制器支持的器件，如I/O口、USART等。⑷．激励源ProteusVSM提供了包括：直流电压源、正弦波发生器、脉冲发生器、指数脉冲发生器、单频率调频波信号发生器、模式信号发生器、单周期数字脉冲发生器、任意分段线性脉冲信号发生器、单边沿信号发生器、音频信号发生器、单稳态逻辑电平发生器、File信号发生器、数字时钟信号发生器等13种激励源。⑸．虚拟仪器ProteusVSM提供了包括：虚拟示波器、计数器/定时器、逻辑分析仪、信号发生器、虚拟终端、模式发生器、交直流电压表和电流表、SPI调试器、I2C调试器等12种虚拟仪器。⑹．ASF高级图表仿真图表仿真以全图形化的分析界面扩展了基础仿真器的功能，其工作方法是把电路中某点对地的电压或某条支路的电流相对时间轴的波形自动绘制出来，用于精确分析电路的各种性能，如频率特性、噪声特性等。ProteusVSM提供了包括：模拟图表、数字图表、混合模式图表、频率图表、传输图表、噪声分析图表、失真分析图表、傅里叶分析图表、音频图表、交互式分析图表、性能分析图表、DC扫描分析图表、AC扫描分析图表等13种仿真图表。

2Proteus在电子技术类教学中的应用

2.1将Proteus引入电子技术类课程教学在传统的电子技术类理论课教学中，有很多电路的原理讲解是靠一些繁琐的公式推导及孤立的计算数据来进行的，抽象而缺乏直观性。如果将proteus所具有的即时、直观、生动的电路仿真效果融入课堂理论教学中，将有利于学生迅速了解电路的工作原理，了解相关设备的作用，掌握相关参数的调整和各种工作量的测量方法等。根据具体教学内容，在理论教学过程中使用Proteus仿真技术进行教学演示，可使理论知识形象化、生动化，使原来难以理解的文字和电路变为可观察的直观形象，有助于学生对知识的理解和记忆。采用Proteus仿真技术，可以增强理论课教学的生动性和直观性，有助于明确概念，解决难点，使得一些原来难以理解的器件特性、电路功能，变得容易理解和形象生动了。例如，在分析非线性器件二极管和三极管的伏安特性时，使用ProteusVSM提供的高级图表仿真功能，可非常直观的看到二极管、三极管的伏安特性曲线，并能在图表分析窗口中对观测点进行测量，得到观测点的相关数据。

二极管伏安特性测量电路如图1所示，精确显示其伏安特性曲线的图表窗口如图2所示三极管伏安特性测量电路如图3所示，精确显示其伏安特性曲线的图表窗口如图4所示。使用ProteusVSM的高级图表仿真功能，使得课堂教学中常遇到的电路分析，如直流工作点分析，瞬态分析、频率分析、转移特性分析、参数扫描分析、失真分析，傅里叶分析等这些常常是教师难讲，学生难学的教学内容，讲解和理解起来变得简单和容易了。

除了高级图表仿真功能，ProteusVSM的动态仿真更是在课堂教学演示中常用的功能。以二极管的半波整流电路为例，如图5所示，当按图中所示放置好元器件并设置好相关参数后，点击“开始”按钮，即可看到图5中的动态效果。图中的交流电压源里有一个红色圆点和一段正弦曲线，红色小圆点没正弦曲线运动，动态表示交流电压的变化；图中带箭头的连线，表示线路中的电流方向；线路的颜色表示线路中电平的高低变化。在图中还可通过直流电压表看到小灯两端的电压变化情况，随着电压的变化，小灯的亮度也跟着发生变化；随着二极管的导通和截止，还能看到电容C1上的充放电情况。所有的这一切都展示了Pro－teusVSM的动态仿真效果，既有图形的动画效果，又有虚拟仪器(直流电压表和电流表)的动态数据显示。图6是由四个D型触发器构成的四位二进制计数器的时序逻辑电路的动态仿真。从图中的数码管显示上可看到计数的数字，从四个逻辑探头中也可看到显示数字的二进制编码，同时，图中在各元器件的引脚上以红色和蓝色小方块表明了引脚上电平的高低。

2.2基于Proteus仿真的电子技术实验教学电子技术类课程是实践性很强的课程，实验教学环节是其中的重要环节，必须得到高度重视。Proteus仿真软件不但提供了丰富的仿真元器件，还提供了丰富的用于调试和测量的虚拟工具，并且为我们提供了各种的输入信号和显示器件，以满足仿真实验的要求。对于由硬件设备不足等环境因素造成的实验开设量不够的情况，通过使用Proteus仿真软件，可以满足当前课程的实验开设要求，从而提高实验教学的教学质量。下面以用555集成元件构成的可调多谐振荡器(仿真电路图如图7所示)为例，来说明使用Proteus开设仿真实验的方法。按图7连接好电路后，点击“开始”按钮，仿真电路开始运行，观察电路的输出波形，如图8所示。改变电路的相关参数，可看到输出波形随参数变化的过程，由此可对输出信号与参数的关系作出总结，达理解电路性能的效果。采用同样的仿真方法，可对模拟电路、数字电路的其他教学内容做出达到预期的实验结果。

2.3基于Proteus仿真的课程设计和毕业设计课程设计、毕业设计是以学生为主的实践教学活动，是学生走向就业的重要实践环节。而对于缺少实验准备和操作经验的学生来说，在设计过程中造成元器件、仪器和仪表的损坏是难免的，这就需要学校承担更多的教学费用。随着我国大学扩招带来的学生多、实验设备和器材少等问题，学校现有的实验设备和器材更是捉襟见肘。使用Proteus仿真软件开展课程设计、毕业设计，实验设备和费用的短缺将不再是问题，Proteus使每个学生都拥有了非常完整的虚拟实验平台。学生可先用Proteus进行自主设计与仿真，由于不存在损坏器材的担扰，学生可在ProteusISIS窗口中大胆进行电路设计、测量、调试、修改，且在安装实物作品前就可看到结果。仿真结果成功后，只要安装正确无误，焊接可靠，布线合理，实际作品可得到与Proteus设计与仿真一致的结果。这种方法可以节省因方案不正确所造成硬件投入的浪费，并且在实验过程中不会出现元器件的损耗问题。使学生独立操作能力和创造力都得到发挥。

3结束语

利用Proteus仿真软件生动、直观的仿真效果，不仅化解了传统教学中的授课难点，使原来繁琐而抽象的理论分析图形化，而且其所具有的声、光、动态图形等形象直观效果能激发学生的学习兴趣，使学生愿意去学原来害怕学的理论知识。Proteus不仅可以作为学校教学的模拟仿真平台，也可以作为个人工作室的仿真实验平台。作为电子信息类相关专业的学生和工程技术人员，在学习了该软件后，可以充分地利用它所提供的资源，帮助自己提高工程应用能力。在电子技术类课程教学中，利用Proteus软件的图形化交互式仿真，可将电子技术类课程的各个教学环节有机的结合起来，从而达到激发了学生的学习兴趣，提高学习动力，开拓学生的视野，增强综合运用知识和实际动手能力的目的，使原来枯燥无味的理论知识学习变得生动起来，提高创新素质和创造能力。

作者：高轶徐小栋单位：云南能源职业技术学院