２０１１年１２月 三门峡职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｎｍｅｎｘｉａ Ｐｏｌｙｔｅｃｌ ｎｉｃ ＤｅＣ． ２０１ １ Ｖｏ１．１０．Ｎｏ．４ 第１０卷第４期 技术与应用 仿真软件在实践教学中的应用 陈慧波 翟艳辉 （三门峡职业技术学院电气工程系，河南三门峡４７２０００） 摘要：电子仿真软件在实践教学中发挥越来越大的作用。通过几款常用电子仿真软件的介绍，结合电子仿真软 件的教学应用例子．充分说明了仿真软件强大的功能以及在实践教学和虚拟实验室建设中的突出优势和巨大潜能 关键词：实践教学；仿真软件；Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０；Ｐｒｏｔｅｕｓ 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 收稿日期：２０１１—０４—１０ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—９１２３（２０１１）０４一Ｏ１１６—０４ 作者简介：陈慧波（１９８２一），男，河南卢氏人，三门峡职业技术学院电气工程系讲师。 随着电子技术和计算机技术的飞速发展．电子 仿真软件以其近乎真实的实验环境在实践教学中 公司的Ｅｄｉｓｏｎ软件仿真时．若电路设计有问题或出 现故障．三维立体元件和仪器如灯泡、电机、示波器 粉墨登场．为学生理论知识学习与应用能力提高创 造了一种开放的实践平台．激发了学生技术创新欲 望．锻炼了学生综合分析解决问题的能力．弥补了 实验实训条件的不足。 等就会烧毁或冒烟．点击“修复”功能后烧毁部件又 恢复如初．形象逼真 加拿大ｌｉＴ公司的ＥＷＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｗｏｒｋ Ｂｅｎｃｈ）是专为电子工程师设计的电子线路开发仿 真软件．２０世纪８Ｏ年代推出的ＥＷＢ５．０以其界面 形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突 出优点风靡全球 １电子仿真软件与实践教学 电子类专业学生学习电子技术时．一方面要注 重理论知识的学习．另一方面强调实践能力的培 养．尤其是对于高职类学生来说．加大实验实训力 度和加强实际动手操作训练显得尤为重要 像模拟 上世纪９０年代，ＥＷＢ在我国迅速推广．深受 电子线路爱好者和学习者的喜爱 随着软件的升 级．１９９８年ＩＩＴ公司推出了相当于ＥＷＢ６．０版的 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ２００１软件．其功能大为增强．元件库大为扩 电子技术、数字电子技术这些专业基础必修课程， 不仅具有完整的理论体系．同时具有较强的实践 性．对学生专业能力的形成十分重要。但是，纯粹而 抽象的理论使学生学习起来感到枯燥．慢慢变得稀 里糊涂．继而产生畏惧心理，以致逐渐放弃。然而， 通常的实验环节课时本来就不够多．还要花费大量 的时间用于线路的连接检测．学生也就仓促完成实 验，不能进行更多的创新尝试。况且受器材、元件的 充．改进了虚拟仪器调用有数量限制的缺陷．特别 是增加了若干个与实际元件相对应的真实仿真元 件模型．使得仿真更精确、更可靠、更逼近真实电 路 ２００５年美国ＮＩ公司收购了ＩＩＴ公司，随后相继 推出了功能更为强大的Ｍｕｈｉｓｉｍ９和ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯｔ Ｉ。 目前．Ｍｕｉｌｔｉｓｉｍ已经取代了ＥＷＢ，成为电路仿 真应用最多的软件 但是在涉及微处理器等嵌入式 限制．加上实验设备的不断老化．许多实验都无法 进行．更有甚者像电大、成教之类，还有一些电子爱 好者．连基本的实验条件都没法保障。近年来，各种 电子仿真软件不断推陈出新，走进生产、科研、教 学 下面简要介绍 １．１常用电子仿真软件特点 芯片尤其是单片机仿真时，它却显得力不从心。 １９８９年．英国Ｌａｂ—ｃｅｎｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司开发的 Ｐｒｏｔｅｕｓ软件在这方面独具优势．倍受电子设计爱好 者的青睐 下面重点介绍 １．２典型电子仿真软件一Ｐｒ０ｔｅｕｓ 对于职专学生或初学者．利用匈牙利Ｄｅｓｉｇｎｓｏｆｌ ｌ１６ Ｐｒ０ｔｅｕｓ电子仿真软件是一种基于ＰｒｏＳＰＩＣＥ混 仿真软件在实践教学中的应用 合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿 真平台。它界面多彩．功能齐全。与多数仿真软件相 似 Ｐｒｏｔｅｕｓ有着数量庞大的元件库，提供了数千种 元件。包括ＬＥＤ／ＬＣＤ显示、按钮、开关及电机等 ８０００种模拟和数字器件模型 它的一个突出特点是 它采用ＶＳＭ仿真模式，其交互式仿真针对原理图 上的虚拟模型进行编程．联合软件进行调试．可对 动态元件实时仿真．尤其它对“人机对话”的模拟 （实时动态地模拟按钮、键盘的输入，ＬＥＤ、液晶显 示的输出，实现声、光、电等逼真的效果）增强了系 统的真实性旧。在模拟仿真的同时．Ｐｒｏｔｅｕｓ提供的虚 拟工具箱．如示波器、逻辑分析仪等可对电路参数 实时观测．测量结果随仿真动态变化并显示．对检 验电路硬件及软件设计的对错及电路特性的定性 分析起到事半功倍的效果．大大节约了测试时间和 开发成本。而基于图表的仿真（ＡＳＦ）可用来精确分 析电路的各种性能，如频率特性、噪声特性等。 １．３电子仿真软件在实践教学中的优势 美国ＮＩ院校关系副总裁Ｒａｙ Ａｌｍｇｒｅｎ说：“通 过仿真这个平台．学生能够很容易地在动手做原型 的过程中把理论知识转换到实践经验中去．从而对 电路设计有更深入的认识和理解” 相对真实的硬 件环境．仿真软件的突出优势表现在：投资少且元器 件及仪表不存在损坏问题节约维护成本：丰富而不 断更新的电子元器件库和虚拟仪表、仪器．不用考虑 设备老化或重建；消除了场地和时间的制约．学生可 以自行将软件安装到个人电脑上．随心所欲调出元 件仪表、搭建电路、模拟仿真测试与设计创新，方便 学习。提高学习效果．激发学生学习兴趣 实际上．不仅仅是学生．电子爱好者或工程师 们．只要掌握正确的电路连接操作方法．借助仿真 软件强大的仿真能力和丰富的资源库．使用者可以 在软件平台上直接将自己的设计思想付诸实践， 从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程 和结果．有效替代硬件仿真器进行先期的软硬件 调试 两 ）。 随着软件的不断升级．像Ｐｒｏｔｅｕｓ这样的电子 仿真软件，其功能不仅仅在于仿真。它集电路设计、 ＰＣＢ制版及仿真等多种功能于一身：其ＰＣＢ电路制 版功能可以和Ｐｒｏｔｅｌ制版软件相媲美：其强大的元 件库可以和任何电路设计软件相媲美：其电路仿真 功能可以和Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件相媲美．且独特的单 片机仿真功能是Ｍｕｈｉｓｉｍ及其他任何仿真软件都 不具备的：它与Ｍｕｈｉｓｉｍ等仿真软件的一大不同， 在于Ｐｒｏｔｅｕｓ还能对ＰＣＩ、８０５１、ＡＶＲ、ＡＲＭ７等多种 嵌入式微处理器系统进行设计和仿真 可以说掌握了一款优秀的电子仿真软件．就相 当于你拥有了一间世界先进设备的个人实验室，对 学习和将来工作都大有好处 以下以Ｐｒｏｔｅｕｓ软件为 例．说明电子仿真软件应用于实践教学的显著优势。 ２应用举例——基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的 直流电机控制 电机运行控制是一个典型的实际问题．但限 于条件、成本或安全方面考虑，很少涉及此类实 验．下面借助Ｐｒｏｔｅ１．ＩＳ软件进行直流电机电路设计 与仿真。 ２．１电路设计 设计时．首先要考虑电机驱动电路．对电机控 制实际上是对驱动电路的控制 其次才考虑对电机 运行状态（正转、反转、启动、刹车）及转速的控制。 ２．１．１驱动电路设计 在Ｐｒｏｔｅｕｓ软件中．直流电机驱动电路可用元 件库提供的电阻、电容、三极管等元器件设计，也 可直接用库中的专用驱动芯片Ｌ２９８搭建，如图１ 所示 Ｄ４ １Ｎ４００Ｔ 正转 反转 ＰＷＭ Ｄ２ １Ｎ４００７ 图１ 直流电机驱动电路 图中芯片Ｌ２９８的输入ＩＮ１一ＩＮ４状态决定电机 运行情况，见下表。ＥＮＡ端控制Ｌ２９８的启停，可作 为ＰＷＭ调速信号的输入端。 电机运行情况真值表 １１７ 三门峡职业技术学院学报 ２．１．２硬件控制电路设计 在驱动电路的基础上，对直流电机的正反转、 对于调速．基于ＰＷＭ调速原理．采用５５５时基 芯片连接谐振电路，如图３。基芯片３脚的输出即为 启停控制可用单刀双掷开关即可完成．控制方法 见图２。图中，上下两组开关接法分别对应正转和 反转。 ＰＷＭ调速信号．调节滑动变阻器ＲＶ１的触头即可 改变输出方波的占空比，达到调速效果。 Ｎ１ Ｎ１ 阳阳阳阳阳阳Ｎ２ 肿脯喜叩叫衄呻¨ 与 鼎图３ ｐｗｍ调速信号发生电路 图２ 电机正反转控制电路 一 一 一 ２．１－３基于单片机的控制电路设计 如前所说Ｐｒｏｔｅｕｓ独特的优势在于单片机系统 仿真．同样在２．１．１节驱动电路的基础上．设计基于 影仿真效果．节省学生练习时间） Ｐ１．０和Ｐ１．１与 图１驱动电路的ＩＮ１和ＩＮ２对应连接。按键Ｋ１、 Ｋ２、Ｋ３分别控制电机的正、反、停转，另外附加了发 光管Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３指示运行状态。而调速可以通过增 加按键实现．从另一引脚如Ｐ１．２输出ＰＷＭ调速信 号实现 ８０５１单片机的电机控制调速电路如图４所示 图中５１芯片左上侧电路为单片机最小系统即 时钟和复位电路（实际电路必不可少．但缺少又不 Ｃ１ Ｃ ２古Ｙ－－１×Ｘ１ Ｌ ‘‘。。。‘。。。。。。。。。——１２１１ Ｒ× Ｕ１ ｒ＾Ｌ１ Ｒ１ ｍ１．２ Ｒ２ Ｒ ．＾． Ｒ３ ｊ Ｃ３ ｐＳＥＮ ＬＥ Ｅ Ｋ１＝ ＩＮ１ ＩＮ２ ＰｌＩＩｌＭ ０ ０ ｏ— 正转 转 Ｐ１口 ｐ１．１ Ｐ１ｉ Ｐ１ Ｐ１．‘ Ｐ１Ｓ Ｐ１ Ｐ１ Ｋ２———口０ Ｋ３一国 件止 图４ 基于单片机的电机控制系统 １ １８ 仿真软件在实践教学中的应用 ２．２电路仿真 件、微处理器芯片和仿真模型，完全可以满足各种 电路原理图的设计．而功能强大的虚拟仪表可以用 采用图２控制方式仿真时．只需要打开运行按 钮．拨动ＳＷ１和ＳＷ２单刀双掷开关．当开关处于图 ２上组时，电机正转；当开关处于图２下组时，电机 于电路的测试分析，仿真过程与效果近乎真实，而 操作方便 其实．像Ｐｒｏｔｅｕｓ软件它实现了从原理图 设计、单片机编程、系统仿真到ＰＣＢ设计一气呵成， 真正实现了从概念到产品的完整设计。这里没有讨 论其ＰＣＢ制版布线功能 仿真软件功能之强可见一 斑．是学生进行动手实践和电子工程师们进行电子 产品设计开发的理想平台 反转 调速时，只需将图３的调速输出信号（５５５的 ３脚）与图ｌ驱动电路的ＥＮＡ端连接起来，调节滑 动变阻器ＲＶ１．就可以简单调速．还可以用虚拟示 波器观察ＰＷＭ调速信号的波形见图５ ３结束语 将软件仿真引入课堂．改建实验室实验条件， 使实验室和课堂融为一体．有助于提高学生学习效 果 电子仿真软件升级换代快．元件库也更新及时． 使学生能采用新器件进行电子产品设计，不失为学 生实践教学的最佳选择 但是。注意决不能仅仅用 单纯的软件仿真而忽视真实训练．否则由于缺乏对 实际元器件的性能了解和环境干扰方面的考虑．设 图５ ＰＷＭ调速信号 计的产品难以满足要求 参考文献： 采用图４基于单片机的电机控制系统时．配合 ［１］黄培根．Ｍｕｈｉｓｉｍ１０计算机虚拟仿真实验室［Ｍ】．北京：电子 工业出版社．２００８． Ｋｅｉｌ编程软件。就可实现软硬件联合调试仿真。通 过按键接Ｅｌ编程技术．根据按键能编写程序代码． 实现从相应控制端Ｉ：３输出控制信号．控制图ｌ的驱 ｆ２１施柏鑫．Ｐｒｏｔｅｕｓ与单片机实时动态仿￣［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／ｗｗｗ． ｐａｐｅｒ．ｅｄｕ．ｅｎ． 动电路完成正反转、起停控制．同时控制指示灯正 确显示．形成了一个简单的“人机接口”电路．联合 『３１贾莉娜，王燕，刘震，等．Ｐｒｏｔｅｕｓ软件在单片机实践性教学 环节中的应用［Ｊ】．辽宁科技学院学报，２０１０，１２（３）． ［４］周润景，张丽娜．基于ＰＲＯＴＥＵＳ的电路及单片机系统设计 调试就能检测整体效果与程序设计情况 从以上仿真过程可以看出．仿真软件丰富而齐 全的元件库提供了大量的与实物对应的电子元器 与仿真［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００６． 【５】朱清慧．Ｐｒｏｔｅｕｓ教程——电子线路设计、制版与仿真【Ｍ］． 北京：清华大学出版社．２００８． Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ＣＨＥＮ Ｈｕｉ－ｂｏ ＺＨＡＩ Ｙａｎ－ｈｕｉ （Ｓａｎｍｅｎｘｉａ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｓａｎｍｅｎｘｉａ ４７２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｌａｙｓ ａ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｈａｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｒａｃｔｉｃｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ；Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０；Ｐｒｏｔｅｕｓ （责任编辑王会战） １１９
