基于Proteus的“低频电子线路”课程虚拟实验教学

摘要：“低频电子线路”是电类专业一门实践性很强的基础课，其中低频电子线路实验教学是课程教学中的一个重要组成部分。通过在传统真实实验的基础上增加虚拟实验教学，有利于完善实验教学体系，使学生能够深入掌握低频电子线路的电路原理，并有助于培养学生的创新意识。文章首先分析了传统低频电子线路实验的现状，而后结合proteus仿真软件详细介绍了虚拟实验在低频电子线路中的具体应用。教学实践表明，虚拟实验作为一种现代的教学手段，可增加学生的学习兴趣，扩展了学生的实践范围，具有很好的应用价值。

关键词：低频电子线路；虚拟实验；proteus

作者简介：郭志涛（1979-），男，河北唐山人，河北工业大学信息工程学院，讲师；袁金丽（1978-），女，河北衡水人，河北工业大学信息工程学院，讲师。（天津 300130）

中图分类号：G642.423     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）30-0155-02

“低频电子线路”是高等院校电类专业的基础课，是一门应用性和实用性很强的课程。该课程对于学生掌握模拟电路的基本专业理论和基本专业技能十分重要。[1]一直以来，低频课程的实验开设都是采用真实实验，即采用具体的仪器仪表和实验设备进行实验，这种实验方法在帮助学生理解和掌握知识方面发挥了重要的作用，同时通过实验能够培养学生分析问题和解决问题的能力。当前，随着计算机技术的快速发展，虚拟实验作为一种新的实验手段，在实际教学中得到了广泛的应用。虚拟实验借助计算机的强大功能，使学生可以不必进入实验室就能够进行各种仿真实验，实验过程中也可以方便地修改电路结构和元器件的参数，使学生在实验的同时扩大自己的知识面，巩固和加深对相关知识的理解。[2]由于具备这样的优点，虚拟实验已成为高效实验教学资源的重要组成部分，同时也是解决实验资源紧缺的重要途径。[3-4]

一、低频电子线路的实验情况

在传统的低频实验当中，按照循序渐进的学习规律，可分为以下四种实验类型。[5]

1.操作性实验

这一类实验最为基础，主要是对一些常用仪器仪表户进行详细介绍，要求学生进行一些简单的测量操作，目的是培养学生正确使用仪器仪表，掌握常用电信号的测量方法。实验仪器设备一般包括万用表、示波器、信号发生器、频率计等。

2.验证性实验

这一类实验主要是对课程中讲授的理论知识进行验证，通常是给出详细的电路图，具体的实验步骤和测量所需的数据表格。目的是使学生通过实验进一步理解相关的理论和知识，并通过实验进行验证，同时进一步熟悉常用仪器仪表的使用，学会一些简单电路的连接方法，并掌握正确的实验步骤和实验方法。比如，低频实验当中的共发射极单管放大电路、两级阻容耦合放大电路等都属于这类实验。

3.设计性实验

这类实验一般只提出实验目的和实验要求，要求学生在实验前自己设计好相关的电路图，实验步骤和需要测试的数据表格。通过这类实验，可使学生对相关的知识做一个回顾和总结，培养学生主动思考、分析和解决问题的能力。比如运算放大器的应用、仪表放大器的设计等都属于此类实验。

4.综合性实验

这类实验要求学生能够应用理论知识，自己设计实验项目和实验内容，目的是培养学生的创新能力。比如，要求设计实现一个集信号发生、信号调理和放大、功率驱动为一体的综合实验，涉及了振荡电路、滤波电路、放大电路和功率驱动等方面的知识。

上述四类实验对于实验教学来讲都是非常重要的，但由于实验学时的限制，往往在这几部分实验的选择上带来问题，没有操作性和验证性实验作为基础，学生很难有效地进行设计性和综合性实验；但选择了一定数量的验证性实验后，又没有足够的学时来开展设计性和综合性实验。虚拟实验的出现为解决这个问题提供了契机。

二、低频电子线路实验中的虚拟实验

虚拟实验在实验教学中有着真实实验所不具备的强大功能。在真实实验前先完成虚拟实验，可以使学生基本掌握实验内容、实验过程和实验数据，有助于学生对真实实验的理解和掌握。[6]另外，由于真实实验的硬件限制，很多实验不能在实际中测试，却可通过虚拟实验来完成。这样，学生可以通过虚拟实验来学习、熟悉仪器设备操作和实验步骤，掌握实验的原理和测试方法，而且采用虚拟实验学生不再受场地、仪器等条件的限制，通过计算机仿真软件即可实现实验，观察到与真实实验近似一致的实现现象和数据结果。

Proteus ISIS软件是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟电路、数字电路、数模混合电路、单片机及外围元器件，并提供了简便易用的印刷电路板设计工具。Proteus 软件提供了三十多个元器件库、数千种元器件库、数千种元器件。如元器件设计电阻、电容、二极管、三极管、MOS管、变压器、继电器、各种放大器、各种激励源、各种微控制器、各种门电路和各种终端等。在proteus软件包中提供的仪表有交直流电压表、交直流电流表、逻辑分析仪、定时/计数器和信号发生器。而且proteus软件还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号以图形方式实时显示出来，其作用与示波器相似。Protues软件还提供了丰富的测试信号用于电路测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号等。

三、Protues软件在低频虚拟实验中的具体应用

低频电子线路课程主要讲授模拟电子电路，对应的实验内容都是模拟电路。采用protues软件几乎可以对本课程的所有实验进行虚拟仿真。以下通过几个典型实验介绍proteus软件在电子线路虚拟实验中的应用。

1.单管共发射极放大电路

晶体管的共发射极电路对电压和电流都有放大作用，是放大器的核心。单管放大电路电路结构虽然简单，但电路中的电容、电阻等参数选择对放大器是否处于正常放大状态有非常重要的影响。在教学实践中，结合课本中论述的共发射极放大器设计原则，给定放大器的指标要求，要求学生自行设计电路参数，并通过仿真实验予以验证。例如要求：对峰峰值20mV，频率1kHz的输入信号进行无失真放大。学生可以通过proteus软件快速构建共发电路，并可方便地修改电路参数，通过虚拟示波器观察实验现象，使学生进一步掌握放大电路的基本结构、静态工作点、截止失真、饱和失真和频率相应等多种特性。如图1所示。

2.结型场效应管转移特性曲线实验

Proteus软件提供一种基于图表的电路分析方法，可以直观地对仿真结果进行分析。利用这一功能我们可以实现对晶体管、场效应管的特性曲线的分析。首先构建如图2所示的场效应管测试电路。选取器件N沟道结型场效应管2N3955A、电解电容CAP-ELEC、电阻RES器件。增加栅极电压激励（DC，1V），漏极电压激励（DC，1V）以及漏极电流探针Id，选择GRAPH中的TRANSFER，扫描源、扫描起点和终点以及扫描步长等设置如图3、图4所示。运行仿真后，可得到如图5所示的转移特性曲线。实验过程可帮助学生理解转移特性曲线的生成方法和意义。

3.差分放大电路

采用恒流源作为有源负载的差分放大器是低频电子线路中的授课重点和授课难点。通过虚拟实验构建如图6所示的差分放大器，其中两管的公共发射极接入两个晶体管组成的恒流源。利用proteus软件提供的电压探针和电流探针工具可实时观测电路中各个部分的电流和电压，帮助理解差分电路的工作原理，为真实实验提供理论指导。

4.仪表放大電路

在自动控制和非电量系统中，常用各种传感器将非电量（温度、应变、压力等）的变化变换为电压信号，而后输入系统。但这种电信号的变化非常小（一般只有几毫伏到几十毫伏），所以要将电信号加以放大，有的甚至放大上千倍或上万倍，因此都采用这种仪表放大电路。该实验目的是运算放大电路的应用以及掌握仪表放大电路的调试及测量方法。Proteus软件中提供了多种实际的运算放大器器件和虚拟的理想运算放大器模型，通过虚拟实验搭建如图7所示的仪表放大器电路。通过在Vi1和Vi2输入带有共模干扰的差分小信号，通过测量Vo可帮助学生深入理解仪表放大器的高增益和高共模抑制比特性。

四、结语

Proteus软件作为一种功能强大的EDA软件，操作简单，元件齐全。基于proteus软件的低频虚拟实验既可以作为学生做真实实验前的预习手段，使学生对所做实验有一定的理解，也可以在实验室硬件条件不齐全的情况下，作为独立的实验内容。另外，在教师理论授课时其作为一种动态演示的手段，可随时提供实验、电路演示和分析。虚拟实验和真实实验的合理结合，科学利用二者各自的优点，取长补短，才能更好地提高教学质量和教学效果，最终提高学生的学习兴趣和综合能力。

参考文献：

[1]辛云东.虚拟实验和真实实验的比较研究[J].中国科技信息,2008,

(10):248-249.

[2]周雪松,丰美丽.虚拟实验技术的研究现状及发展趋势[J].自动化仪表,2008,29(4):1-4.

[3]孙燕莲,文福安.虚拟实验教学的探索与实践[J].现代教育技术,2009,19(4):131-132.

[4]习友宝,朱红,郭讯.国家精品课程“现代电子技术实验”建设[J].电气电子教育学报,2008,30(5):56-57.

[5]吴根忠,李剑清.基于Multisim的电工学虚拟实验教学[J].实验室科学,2011,14(3):19-21.

[6]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.

（责任责任：刘辉）

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