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Proteus在設(shè)計(jì)型電子實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用論文
摘要：本文以單管共射放大電路為例，詳細(xì)介紹了用Proteus進(jìn)行設(shè)計(jì)型電子實(shí)驗(yàn)的仿真應(yīng)用實(shí)踐過程。實(shí)現(xiàn)了以產(chǎn)出為導(dǎo)向的OBE理念教學(xué)，提高了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。實(shí)踐表明：將Proteus應(yīng)用于設(shè)計(jì)型電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是一種提高設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)效率、培養(yǎng)卓越工程師的有效方法。
關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)；Proteus仿真；單管共射放大電路；創(chuàng)新能力
一、引言
電子實(shí)驗(yàn)是理論知識(shí)的重要補(bǔ)充，其綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)更能鍛煉學(xué)生的多方面素質(zhì)和創(chuàng)新能力[1]。但學(xué)生在初設(shè)計(jì)電路時(shí)，常思慮不周，所用元件參數(shù)、規(guī)格等不合要求，甚至出現(xiàn)短路、斷路及其他事故。若用這樣的電路直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，常會(huì)對(duì)元件、設(shè)備造成很大傷害[2]。因此必須探索有效的方法改善現(xiàn)狀。Proteus仿真軟件具有豐富的元件庫和強(qiáng)大的虛擬測試儀器、儀表，工作界面形象、直觀，便于直接觀察、測試、顯示電路中各點(diǎn)電壓、電流波形和參數(shù)[3]。若將Proteus應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，則既能提高學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效率，也可以緩解電子元件、設(shè)備不足帶來的困境。在電路中若設(shè)置故障，采用OBE理念教學(xué)，通過故障分析及排除，來加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、排除電路故障、解決問題的能力[4]，并提高其創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。
二、單管共射放大電路設(shè)計(jì)實(shí)例
�。ㄒ唬╇娐饭ぷ鳡顩r及性能要求
設(shè)計(jì)的單管共射放大電路如圖1所示。各組成部分及作用如下：電源UCC與RB1、RB2的作用是使發(fā)射結(jié)正偏，并提供大小合適的IB；UCC為電路提供能量，并保證集電結(jié)反偏；這時(shí)晶體管工作在放大區(qū)，滿足iC=b*iB。RC將晶體管的電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓1、C2為耦合電容，隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時(shí)使交流信號(hào)順利輸入與輸出。電路工作狀況：ui=0時(shí)，為靜態(tài)工作狀態(tài)，各電壓、電流均為直流。ui≠0時(shí)，電路為動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，各電壓、電流波形如圖2所示。ui、uo為交流信號(hào)，而uBE、iB、iC、uCE均為交直流混合信號(hào)。電路性能要求：電壓放大倍數(shù)Au≥30，輸入電阻Ri＞1kΩ，輸出電阻Ro＜3kΩ，下限截止頻率fL＜100Hz，上限截止頻率fH＞100kHz，電路穩(wěn)定性好。
�。ǘ�(gòu)建仿真模型
根據(jù)Q點(diǎn)的U和I選擇RB1和RB2，由fL、fH選擇C1=100μF、C2=100μF，并由IB=40~60μA的工作狀態(tài)確定RE和CE。在Proteus中選擇所需元件，建立單管共射放大電路仿真模型如圖3所示。以晶體管2N5551為核心元件，已知參數(shù)為：UCC=+12V，RL=2.4kΩ，ui=6~18mV，RS=10kΩ。設(shè)ui為6mV、1kHz的交流正弦信號(hào)，進(jìn)行仿真，可得圖4所示ui、uo仿真波形。其中幅值小的信號(hào)是ui，幅值大的信號(hào)是uo。
�。ㄈ┐_定仿真方案及數(shù)據(jù)分析
調(diào)節(jié)RB1，建立合適的Q，參數(shù)分別為IB=50μA，IC=6.12mA，UCE=6.2V。輸入ui幅值為6mV時(shí)，改變其頻率，可得f=100Hz時(shí)，uo=195mV，Au=uo/ui=32.5；f=1kHz時(shí)，uo=210mV，Au=35；f=10kHz時(shí)，uo=210mV，Au=35；f=100kHz時(shí)，uo=180mV，Au=30；得到的波形為正弦波。由此可知，設(shè)計(jì)的電路在額定輸入下的Au均大于30，且較穩(wěn)定，在fL=100Hz處的Au=32.5和在fH=100kHz處的Au=30，也滿足設(shè)計(jì)要求。
（四）電路故障對(duì)Au影響的仿真分析
當(dāng)ui=110mV，fs=1kHz時(shí)，設(shè)置四種故障，分別是Q過低、Q過高、CE開路、RL是否接入。測試的數(shù)據(jù)計(jì)入表1。分析表1可知：Q過低時(shí)，Au明顯下降，僅為2.4，Uo波形發(fā)生截止失真；Q過高時(shí)，Uo波形出現(xiàn)明顯飽和失真，但Au下降得沒有截止失真厲害；而在CE開路時(shí)，輸出很小，僅為40mV，這是由于RE上的交流壓降使輸出減小過多，大大降低了Au。接入RL，則比RL開路時(shí)輸出減小很多，只有710mV，Au=6.5。
三、結(jié)論
通過設(shè)計(jì)電子實(shí)驗(yàn)電路、構(gòu)建仿真模型及確定元件參數(shù)，到最后的數(shù)據(jù)波形及結(jié)果分析，可以得出：利用Proteus進(jìn)行電子設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，能方便地調(diào)節(jié)電路參數(shù)，直觀觀察電參量波形，測試電路的特征參數(shù)，滿足電路性能要求。對(duì)電路的故障分析及排除，有助于提高學(xué)生獨(dú)立思考及判斷能力。應(yīng)用Proteus，學(xué)生可分析、研究各種電子電路，不受場地、環(huán)境、設(shè)備限制，充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生自主創(chuàng)新精神，提高了自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，為培養(yǎng)卓越工程師打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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[4]顧佩華,胡文龍.基于“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”(OBE)的工程教育模式———汕頭大學(xué)的實(shí)踐與探索[J].高等工程教育研究,2014,(01):27-37.
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