電路基礎綜合性實驗設計研究

摘要：開設設計性、綜合性實驗以培養學生的實踐創新能力是實驗環節的共識和目標，本文據此論述了在電路基礎或電路分析實驗中開設綜合性實驗的重要性和可操作性，以最大功率傳輸實驗為例說明了綜合性實驗的設置方法，并進行了仿真驗證，對該實驗設置中的關鍵注意事項等進行了探討。結果表明，在電路基礎實驗中可以設置綜合性實驗是可行的，這為在該課程中設置綜合性實驗提供了借鑒思路。

關鍵詞：電路實驗；綜合性實驗；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0214-02

電路基礎或電路分析是電子信息類第一門專業基礎課。在該課程的教學中，通常都會設計不同內容的實驗環節。但是目前國內眾多的電路基礎實驗教材中開設的綜合性實驗卻明顯較少，同時，目前主要的開課方式是將實驗設置在平時的教學中，每次只能進行3～4個學時的實驗，不利于學生綜合能力的鍛煉和提升。究其原因可能主要有兩點，一是對電路基礎課程中綜合性實驗的認識或重視程度不夠，并對其涵義理解存在偏差；二是認為學生的相關專業基礎知識還比較少，開設綜合性實驗有不少難度，因此導致在電路分析課程中開設時間長、內容廣、形式多的綜合性實驗缺乏動力。近年來，在電工電子實驗教學體系中提倡開設設計性、綜合性實驗以培養學生的創新能力已成為眾多相關專家們的共識，在電路基礎或電路分析課程中開設綜合性實驗也自然十分必要。但是，開設綜合性實驗仍然面臨的問題是，在實驗項目涉及的知識點不明顯超出課程范圍即在內容緊緊圍繞理論課程的前提下，如何設置實驗才是符合綜合性要求的。對此，本文進行了解釋和澄清，并指出，綜合性實驗可以理解為：①實驗內容的綜合性；②實驗方法與手段的綜合性。根據上述對綜合性實驗涵義的解釋，我們有理由相信在本課程內容范圍內設計的綜合性實驗是可能的也是可行的。最大功率傳輸是電路理論教學中十分重要的內容，該定理所涉及的問題也是實際電子、通信電路設計中必須考慮的問題。在電路基礎理論課程中，最大功率傳輸在不同的章節和電路模塊（直流電阻電路、正弦穩態交流電路、含理想變壓器電路）中多次出現，貫穿整個電路分析過程的始終，因此其內容具備一定的綜合性，掌握該內容需要該理論課程不同知識點的有機聯系和綜合。與此同時，也有不少學者對該內容進行的理論分析和討論，是課程的一個難點和重點。因此，若將其涉及的多個知識點集成在一個實驗環境中，并綜合通過軟硬件結合的方法設計和實現，就可以很好地達到綜合性實驗的目標和要求，且又不盲目提高或超出學習要求。

一、實驗方案設計

最大功率傳輸定理討論的是：含源線性單口網絡向負載供電時，負載獲得最大功率的條件。在本文討論中，為方便起見其中的含源線性單口網絡一般可用戴維南等效電路表示。整個實驗電路如圖1所示，圖中除了電壓源及其內阻R0外，還包括另一個電阻R，電感L，電容C和變壓器T，它們通過開關進行選擇。Z是負載阻抗，根據不同情況進行元件匹配選擇。而在實驗方式上，通過軟件仿真和實測數據兩種不同的方式進行驗證與對照，以深化實驗的內容和效果。

1.直流電阻電路。見圖1。

該條件下情況比較簡單，圖中的電源源u既可以是直流電壓源也可以是交流電源，R0是電阻值，可變負載用阻抗Z表示，此時也可以是純電阻RL。因此當RL=R0時，負載上得到最大功率，PLMAX=UOC2/4R0。為該實驗設計的數據表格如表1所示。實驗中須注意兩點。①在實際的實驗過程中，可設計一個比較復雜的電路，由學生自主用實驗的方法獲得該電路的戴維南等效電路，以增加實驗的綜合性。②根據計算的PL畫出其與RL數據變化的曲線，由學生根據數據和曲線說明實驗結論。

2.正弦穩態交流電路。正弦穩態電路中，外部負載從具有內阻抗的交流電源獲得最大有功功率的條件，稱為最大功率傳輸定理。設電源有效值相量為■S，內阻抗ZS=RS+jXS，ZS固定，RS為正，負載阻抗ZL=RL+jXL=|ZL|∠φz。若RL和XL均可改變，且RL為正值；則當ZL+RL+jXL=RS-jXS=Z*S時，負載上得到最大功率為PMAX=■，稱共軛匹配。若阻抗角φz不變，模|ZL|可變，則|ZL|=|Zs|，稱模匹配。此時，電源須為正弦交流電，而內阻抗可以分別包含電容或電感。此時實驗中須另外注意兩點。①實驗室常用的電容或電感數量限制的條件下，由于獲得最大功率時，負載阻抗須與內阻抗相匹配，因此電感和電容的大小以及函數信號發生器輸出信號的頻率選取是有講究的，因此需要先經過較好的預習和分析環節。②在一定的輸入頻率下，實驗數據表格是二維及以上的。因為內阻抗包括電阻分量和電抗分量，負載阻抗中也應有不同的電阻和電抗，且電抗還可以是不同性質的。

3.含變壓器的最大功率傳輸。根據電路理論，變壓器可以起到阻抗變換作用。因此，圖1中從負載Z一端看，就相當于原內阻變為，但此處要注意的是雖然內阻是純電阻，但輸入信號須為交流信號。

二、實驗效果與討論

為了驗證該實驗的效果，以圖1中開關SA2閉合即接入電感為例進行仿真實驗研究。考慮到實際使用的實驗元器件數量和容量的限制和實驗的實際效果，仿真時取us為有效值1V，頻率15.9KHZ正弦交流電源，內阻R0=1KΩ，電感L=10mH。根據理論計算有當Z中RL=1KΩ，且C=10nF時，負載上過得最大有功功率0.25mW。而MULTISIM8仿真測試結果如表1所示，由表可見實驗數據較好的符合定理本身。同時在實驗中尚有幾點另外值得探討和注意的地方：

1.仿真數據是比較理想的情況，在實際測試中由于元器件和交流表的誤差以及本身一些數據比較接近等因素可能會使結果有一些偏差并帶來一些數據相對大小的不確定性，這也正好說明了綜合性實驗中多種實驗方式比較的重要性和趣味性。

2.事實上在實際測試中，交流電源一般用信號發生器會有幾十歐姆的內阻。單口網絡實際的內阻比R0要大些，因此RL取值時要注意不匹配的值要離R0遠一些。否則容易產生誤解的結果。

3.嚴格來說，實驗結果仍舊只是一種不完整的窮舉逼近。而且負載阻抗也可以含有電感和電容的組合，只是這種情況使得表格更為復雜，實驗還是鼓勵嘗試。當頻率或元件參數改變時，實驗數據結果也將發生變化，因此實驗前的預習和準備至關重要。

三、總結

論文以最大功率傳輸實驗為例探討了電路基礎或電路分析課程中綜合性實驗的設置方法。同時對該綜合性實驗設置中的關鍵問題和注意事項等進行了說明。實驗結果驗證了在電路基礎實驗中可以設置綜合性實驗項目的可行性，為在該課程中設置綜合性實驗提供了有益的借鑒思路和嘗試。

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基金項目：浙江省教育技術規劃課題（項目編號：JB120）

作者簡介：呂偉鋒，講師，博士，主要從事集成電路CAD及電路分析及實驗課程教學研究。