电子线路仿真在培养学生综合能力的应用

【摘 要】 电子线路仿真软件种类繁多，结合本校实际开课情况，将multisim、Proteus 仿真软件引入教学，利用其仿真软件的分析功能，结合实例，将理论分析与实验仿真有机结合，给出了相应的仿真波形和仿真结果。通过仿真软件所建立的虚拟实验平台有助于学生理论知识的理解和实践技能的培养。

【关键词】 Multisim 电压比较器 Proteus 温度自动控制系统

电子线路实验和课程设计是工科院校电子类学生的重要实践教学环节，是提高模拟电子线路和数字电子线路教学质量的重要方向，是培养学生综合性设计和创新能力的重要教学环节。传统实验受元器件与硬件电路的限制，实验的灵活性与实时性较差，影响了学生对概念的深入理解，削弱了理论与实际的有机联系。随着计算机技术的飞速发展，电子电路的分析与设计方法发生了重大的变革，虚拟实验广泛得到应用。目前应用于电子类课程的仿真软件有很多，如Multisim、Pspice、Max+plusⅡ、Proteus等，大大地提高了电路设计的效率。Pspice主要用于模拟电路的仿真。Multisim 功能强大，提供了数千种电路元件和十几种常用的电子仪器，可以进行模拟电路和数字电路的仿真，但不支持软硬件协同联调。Max+plusⅡ只适用于复杂系统数字电路的设计。Proteus 是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能非常强大。为此，结合本校的实际开课情况，着重分析了Multisim、Protues两款电子线路仿真软件在电工电子类课程中的应用。

1 Multisim、Protues仿真软件特点

Multisim是加拿大IIT（Interactive Image Technologies）公司在EWB（Electronics Workbench）基础上推出的一个专门用于电子电路设计与仿真软件。它成功地将原理图设计、系统模拟和仿真、虚拟仪器等融为一体，组成计算机电子工作平台，既可以克服实验室器件品种、规格和数量不足，又可以通过验证型、测试型、设计型等不同形式的训练，培养学生的分析和时序测试训练，大大提高了电子设计工作的质量和效率。而Proteus嵌入式系统仿真与开发平台是由英国Labcenter 公司开发的一款电路分析实物仿真系统， 其仿真特点与Multisim基本相似。但Proteus 还支持第三方软件的编译和调试环境。此外，Protues还支持电路仿真模式VSM，当运行仿真电路时，可实现声、光等逼真效果，非常直观地检验电路硬件及软件设计状况。

2 Multisim、Protues在电工电子课程教学中的应用

Multisim在电压比较电路中的研究

电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平，可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作电平检测、波形产生和变换电路等。以反相滞回比较器为例[1]，利用multisim软件进行分析与计算，进一步掌握比较器的原理与测试方法。

反相滞回比较器原理图如图1所示。观察可知电路中使用正反馈和相连，而有两个值，所以对应的就有两个值。当正饱和时（=） ：

设↓，当，从→。反相滞回比较器的原理一直是学生难以理解的难点，可利用multisim软件进行仿真，仿真图如图2所示，信号源设置500Hz、5V后运行仿真，可以得到如图3所示的波形。

由图2可知，当输入信号电压（正弦波）上升到A点，输出电路翻转输出低电平；当输入信号电压下降到B点，输出电路再次翻转输出高电平。从图中还可以看到A点与B点电压值是不一样的，即可说明电路的翻转点的时间是滞后的。可通过调节电位器来改变滞回点。结合比较器原理中（式1）、（式2）计算出时所对应的临界值，将计算的结果与图3所示的仿真结果相对比，让课堂理论教学与实验教学密切的结合在一起，激发学生对原理的理解，进一步提高动手能力。

Proteus在温度自动控制系统设计的研究

利用proteus软件模拟一个水温自动控制系统[2]，当水温小于或等于20℃时，系统自动加热；当水温高于或等于50℃时，停止加热，并用数码管显示20℃～50℃范围内的温度。温度传感器用负温度系数热敏电阻（采用MF58-10），加热及停止状态用不同颜色的发光二极管显示。温度自动控制系统框图如图4所示。

系统使用具有负温度系数的热敏电阻来模拟测量水温，通过一个固定阻值的电阻和热敏电阻串联，与一直流电源组成分压电路。当温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，从其二端取出电压的变化，这样就将非电量转换成了电量，然后通过运算放大器（采用运放uA741）将信号放大。而如何将温度值转换成电量值成为学生的第一个难点。在proteus仿真过程中是不会出现热敏电阻的阻值变化现象，只能考虑用一电位器来模拟热敏电阻的阻值变化。

此外，温度自动控制系统的核心是温度检测与加热/停止加热控制两个模块。温度检测模块的主要任务是将T=20和T=50的相对电压值检测出来，并将这二个电压值提供给加热/停止模块及加热、停止状态显示模块。该部分由电压比较器来实现，利用运放的非线性特性来完成，将T=20、50时对应的电压值与温度检测电压值进行比较，将比较的结果进行锁存后传给控制模块。

此时的加热/停止加热控制模块根据电压比较器的输出状态，来获取加热、停止加热的信号，利用D触发器74LS74的芯片功能，完成系统的自动升温、降温等状态。这一过程都可用proteus进行模拟仿真，能实时的观察不同的电压值所对应的控制信号，让设计的整个流程变得简单、可控。

还可设计一温度显示模块，将环境温度（20℃～50℃）在数码管上实时显示出来，即将热敏电阻随温度的变化值通过运放转换成相应的电压值，然后通过三位半LED专用A/D转换显示芯片TC7107及共阳极数码管组成的译码显示电路，将环境温度显示出来，这样使得整个系统的设计变得完善。但通过TC7107芯片资料可知的TC7107最大输入电压量程为200mv，故先要将环境温度（20℃～50℃）所对应的电压值通过运放进行比例缩小，使其到达驱动TC7107所需要的量程范围的值。

Proteus在单片机控制电路中的研究

Proteus真正超群之处在于它对单片机电路的设计与仿真[3]。它与单片机的程序设计软件Keil兼容，能够把Keil编译好的“*.Hex”文件置于入Proteus的单片机硬件中，从而实现软硬件一体的电路仿真。

Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它不仅可以观察单片机寄存器和存储器内容的改变，还可以在程序调试时，综合运用Keil中的多种调试功能来详细观察电路的工作情况，直接看到硬件电路工作的结果，了解所编程序的对错，极大方便了单片机软硬件协同调试。

以上例子是在讲授理论课堂和电工电子实训中穿插的仿真实验，给学生带来了耳目一新的良好效果。既能加深学生对理论知识的理解，又能提高学生实践动手能力。学生可以随意对电路结构、元器件参数进行调整，观察不同状态下电路的工作情况，加深对理论知识的理解。

3 结语

Multisim、Proteus将枯燥复杂的理论分析图形化，解决了传统教学中的授课难点，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效率。学生通过对电路的不断调整，使之更加合乎要求，可以培养创新思维和创新能力。同时Multisim、Proteus可以作为学生的仿真实验平台，在课堂外进行接近于实际电路的分析和调试，从而加深对理论知识的理解，进一步培养分析问题和解决问题的能力。因此，通过Multisim、Proteus仿真软件建立的虚拟实验平台对高等学校电子类课程的教学有十分重要的作用。

参考文献：

[1]董玉冰 等.Multisim9 在电工电子技术中的应用[M].北京：清华大学出版社，

[2]朱清慧 等.Proteus 教程——电子线路设计、制版与仿真[M].北京：清华大学出版社，

[3]唐颖 等.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：北京大学出版社，

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