Proteus仿真技术应用于电子技术课程教学的分析
中图分类号：TN02-4
作为电子专业、机电专业的主要课程之一，电子技术教学效果的好坏，将会直接影响到学生对其它相关课程的学习效果。一直以来，该课程的理论教学过程比较单一枯燥，动手实验部分的操作性不强，课程设计上千篇一律，没有创意。而应用电路设计的自动化软件则可以大大提升教学质量，Proteus技术就属于其中一种，它最大的优点是能够支持微处理器进行仿真，因此非常适用于电子技术应用的实际教学。以下根据个人经验提出相关见解，希望能对电子技术的课程教学起到一定的引导作用。
1 Proteus软件概述
1.1 简要介绍
Proteus是由英国研发的，作为一种电路设计的自动化软件，它具有世界上最为先进的系统设计，同时仿真平台技术也是世界一流的。在仿真功能上，它能够模拟普通电路、模拟数字电路、模拟单片机的系统。仿真实验平台具有开放性和可视性，包含了多种测量调试工具和信号发生器，仿真结果和实际情况的接近度很高。另外，电路图绘制功能十分强大，结合PCB板的设计功能，能够完成电路图从原理到仿真再到设计的全过程。综上所述，由于该技术的成本低，开发设计的时间短但效率高，因此主要应用在工程的设计和电子技术的教学活动中，具有重要的作用。
1.2 功能特点
第一，能够对大量的集成电路和数字器件进行仿真模拟，由于使用了许多动态仿真元件，所以仿真的效果非常逼真。在微处理器和控制器的仿真上，能够支持多种型号，例如PIC系列、飞利浦的LPC系列、51系列、AVR的单片机系列等。第二，Proteus软件的仿真技术，是在SPICE3F5的基础上进行的，因此，和其他的电路设计的自动化软件一样，可以对集成或分立的模拟电路、数字电路进行分析，常见的如数字分析、频率分析、模拟分析、混合信号分析等。第三，在Proteus软件中，具有多种虚拟的仪表和仪器可供选用，常见的如信号发生器、电表、逻辑分析仪、计数器、示波器、虚拟终端。其中，虚拟终端设备能够利用电脑键盘和显示器，以串口为介质和外部的单片机系统进行连接，从而达到通讯的目的。第四，Proteus软件同时拥有两大功能模块，一是ISIS，二是ARES。在这两个功能模块的共同作用下，一方面可以设计原理图，另一方面也能够设计印制板。在ISIS的环境中，还可以实现电路设计的交互式仿真。第五，Proteus软件和Matlab软件、Keil软件结合使用，能够让用户在设计的过程中直接对源代码进行编辑或修改，然后观察运行效果。如此，提高了工作效率，节省了后期对代码进行完善的时间。
2 Proteus应用在电子技术教学上的必要性
2.1 增强教学的真实性、生动性。Proteus仿真技术能够对教学实例进行演示，从而增强教学的真实性和生动性。举例来说，在讲述计数器的不同进制时，利用集成技术芯片能够制作出不同的计数器，它们具有不同的进制。这种演示方法，能够加深学生对集成计数器的认识，从而更好地利用。
2.2 明确概念，解决难点。Proteus仿真技术有助于教师课程讲解中对相关概念进行明确，从而解决学习中的难点、重点。举例来说，74LS138译码器的主要功能，是将三位二进制代码翻译成为八路输出信号，而且输出结果为低电平才有效果。教师对此进行讲授时，学生并不能理解这些概念，什么是八路输出信号，为什么非要输出低电平。学生找不到答案，就会成为一种困惑，阻碍了进一步的教学活动。但是，如果讲解了74LS138译码器的功能原理，在Proteus仿真技术的应用下，可以实现逻辑功能的演示，对输入端和控制端进行改变，就能够在发光二极管中得到输出端的结果。这样一来，困惑学生的问题就得到了有效解决，便于课程教学的继续。
3 Proteus仿真技术在电子技术中的教学应用
3.1 在理论教学中的应用。在电子技术的教学过程中，很多教师都有这样的同感，由于理论知识比较抽象，相关概念多且复杂，加上实践性比较强，因此教学活动存在诸多困难。在教学过程中，既要有大量的电路理论知识，又要时刻想着电路的结构和信号的特点。学生一旦缺失了这两个方面中的一点，对于电路的学习就会缺少了全面性。传统教学方式受到限制，只能重点讲解电路的原理，学生没有学习兴趣，因此教学效果一般。
应用Proteus软件，在理论知识的教学中使用仿真技术，将其呈现在多媒体中，教师能够对电路原理进行仔细讲解，学生也可以看到电路的运行现象、信号的波形，从而加深对电路的理解，全面掌握电路的理论知识，为其它相关教学活动奠定基础。
举例来说，电路性能的方法分析是电子技术课程的一个重点和难点。在传统的教学活动中，放大器静态工作点对电路的影响，学生对此不容易理解。不仅如此，关于电阻、频率、信号失真、相位关系等知识点只有模糊的概念，由于抽象难以理解。但是，使用Proteus软件对原理图进行构建，然后仿真运行，就能够直观的看到输入信号的改变对输出信号的影响。以此为出发点，可以对电路的放大作用产生深入理解。另外，调节电阻的参数大小，就可以了解偏置工作点对电路性能的影响；调节开关，就可以了解负反馈对电路性能的影响等。因此，应用Proteus的仿真技术，学生可以学到放大器的性能指标，对放大器的工作原理进行全面理解，以便在复杂电路的分析上积累知识点和技术。
3.2 在实验教学中的应用。在电子技术的教学过程中，实验的操作是必不可少的环节。通过实验活动，能够将理论和实际联系在一起，从而将人才培养定位于实用性、创新性、具有操作能力。使用传统的实验教学模式，学生处于固定的场所之中，实验仪器和相关设备是被指定好的，实验的时间也是提前规定好的。因此，学生在这种模式下进行实验，受到设备、时间、场所的限制，并且实验类型比较单一，只能做一些验证性的实验，严重影响到学生正常的研究能力和创新能力。 与此相对应，采用Proteus软件，利用它的仿真技术，学生在计算机上就能够将需要实验的电子设备虚拟出来，而且设备比较先进，相关的元件比较齐全。采用这种教学模式开展实验活动，不再受教学条件的限制，打破了场所限制、时间限制、设备限制。这种实验活动真正以学生为中心，丰富了学生的实验内容，拓宽了学生的视野，从而达到提高学生分析问题、解决问题的能力。
在多谐振荡器的制作试验中，采用传统方法对振荡器输出的信号进行观察时，需要使用示波器。但是缺点是会受到干扰，导致学生观看的波形是不完整的，因此难以确定信号的频率。而应用Proteus软件，能够对电路进行构建，并对运行过程进行模拟。在虚拟的示波器上，可以看到不同引脚的波形。如果改变电阻和电容的参数，还能够得到更多的振荡器频率。除此之外，还能够得到的信息有：第一，电阻不仅影响振荡器的频率，还决定了波形负脉冲的宽度。第二，电容参数的改变，对波形的占空比没有影响。
采用课堂演示的方法和学生利用Proteus软件进行仿真设计的模式，对于振荡频率、起振条件、振荡过程等知识点，学生们能够有全面而深刻的理解，不仅掌握了理论知识，还具备一定的实践能力。不仅如此，利用Proteus软件，能够在电路的基础上进行改造，变为施密特触发器或单稳态触发器，然后进行仿真。通过这种虚拟实验进行教学，能够提高学生对于实验的理解，增强动手的操作能力，并且在激发学生学习兴趣的同时，提高教学效率，达到教学目标。
3.3 在课程设计中的应用。在电子技术的专业学习中，课程设计是锻炼学生对于电子电路的综合设计和调试能力，以及焊接技术，并且使学生能够运用知识解决实际问题，是重要的实践环节。在传统的教学模式下，教学效果不理想，达不到预期目标。主要原因在于电路的调试在实际操作中比理论想象要难，电路的制作效果也不太好。
使用Proteus软件，学生可以利用仿真功能进行调试，电路设计上如果有问题，就会及时发现，然后进行改正。这样能够提高电路设计的工作效率，带动学生的学习兴趣，在最大程度上发挥学生能动性的基础上，完成课程设计工作。
具体来说，就是在Proteus软件的帮助下，对数字频率计进行总体方案设计，然后画出各个功能模块的原理图，进行仿真运行。首先，时基电路与分频设计，接着完成计数、锁存译码和计数器清零的逻辑控制设计，实现一个基本的可手动换挡的数字频率计；然后对能力较强的学生进行自动换挡设计的辅导，完成欠量程和超量程的记忆设计，根据不同的记忆状态设计时序逻辑电路实现量程的自动转换，进行整体联调实现自动换档的纯数字电路的数字频率计。
对于这类比较复杂的大型电路设计，为了避免PCB制作实现出现器件类型购买的问题，实验室可以事先制给出约定只能的集成电路模块，预先焊接好提供的集成电路并留出必须的接线排针作为接口，学生实验只是将原PCB设计预留的排针为接口使用杜邦线进行连接调试，排除连接中的错误，基本能实现设计的要求。通过软件仿真和实际电路的连接结合的课程设计，既可避免抄袭现象又可锻炼解决实际电路中出现问题的能力。应用仿真技术，可以完成课程设计的任务，显著提高设计结果的成功率，同时也提升了学生进行动手操作的兴趣。
4 结束语
在电子技术的教学过程中，利用Proteus仿真技术能够很好地将理论和实验进行结合，同时融入了课程设计的内容。这种教学方法，有效提高了电子技术的课程教学效果，能够开发学生自主学习的潜力。在开拓学生视野的同时，提高了学生的兴趣和创新意识，从而最终增强学生对电子技术的知识运用能力和实践操作能力。除此之外，应用Proteus仿真技术，能够为相关专业课程的学习如单片机、高频电路等奠定学习基础。
