仿真軟件在電工學(xué)中輔助教學(xué)探討

廖 輝

（石河子大學(xué) 理學(xué)院，新疆 石河子 832000）

電工學(xué)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程的特點(diǎn)是內(nèi)容廣、原理多。在電工學(xué)的理論教學(xué)過程中，有大量的數(shù)學(xué)推理過程，公式的推導(dǎo)比較抽象，不直觀［1］，使學(xué)生在聽課的過程中很容易迷失在繁瑣的數(shù)學(xué)分析過程之中。而EWB（electronics workbench）軟件恰恰可以快捷搭建電路原理圖，將抽象的規(guī)律和原理以直觀、互動的方式在屏幕上展示給學(xué)生。教師在講課的過程中可以很方便地借助實驗進(jìn)行基本規(guī)律和基本概念的講解，進(jìn)而消除學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的困頓，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 EWB軟件簡介

EWB軟件是迄今為止使用方便、應(yīng)用廣泛的仿真軟件之一，可以應(yīng)用于模擬電路、數(shù)字電路的混合仿真［2－4］。EWB 是由加拿大Interactive Image Technologies公司于1985年開發(fā)的電子電路計算機(jī)仿真設(shè)計軟件，稱為“電子設(shè)計工作平臺”或“虛擬電子實驗室”［5］。EWB的內(nèi)核是SPICE數(shù)／模混合仿真系統(tǒng)，軟件界面簡潔、友好［6］。在EWB內(nèi)部提供了8 000多個電子元器件模型，在其模型庫中有各種直流、交流電源，多種型號的電容、電阻、電感及變壓器模型等。在EWB的儀器庫中，提供了函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表、示波器、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀等儀器。還提供了14種分析工具、4種掃描分析［7］。

EWB選用的儀器和元器件與實際情況非常相近，相當(dāng)于一個設(shè)備先進(jìn)、功能完備的大型電子實驗室。在使用EWB過程中，可以按照真實實驗流程進(jìn)行電路的搭建、測量，就如同在真實實驗室一樣，使用者只需用鼠標(biāo)在元件庫中選擇實驗所需電子元器件，從儀器庫中選擇測量儀器，按照電路原理圖用鼠標(biāo)點(diǎn)擊連線，即可方便、快捷地搭建好一個可以運(yùn)行的實驗電路。激活仿真電源，EWB就會利用嵌入內(nèi)核SPICE對電路進(jìn)行模擬運(yùn)行，電路運(yùn)行結(jié)果可以直觀地顯示在虛擬儀器上［8］。

由于是仿真實驗，使用者不用擔(dān)心儀表儀器被損毀，可以放心完成各種實驗電路的分析測量。使用者可以邊選擇、邊測試、邊修改、邊分析，將實驗與理論相對照，在調(diào)試、測量中學(xué)習(xí)，把實驗與理論緊密地結(jié)合起來，加深對理論的認(rèn)識［9］。

2 EWB仿真實驗特點(diǎn)及優(yōu)勢

（1）不受時空限制。

（2）軟件體積小、干擾少、仿真精度高。該軟件大小不到20MB，便于攜帶和安裝。仿真實驗無需考慮周圍真實環(huán)境的影響，其虛擬儀器庫中包含有許多性能很好的虛擬儀器，如數(shù)字萬用表的電流量程為0.0 1 μA—999kA，電壓量程為0.01μV—999kV，雙通道的數(shù)字存儲示波器高達(dá)1 000MHz［10］，而這些指標(biāo)在實際儀器中是難以實現(xiàn)的。高精度的儀器可以進(jìn)一步降低實驗誤差，提高仿真精度。

（3）仿真實驗直觀，生動。可以將抽象的電工學(xué)概念和原理直觀化、形象化，有利于突破難點(diǎn)、深化理解［11］。

（4）仿真實驗安全，低成本。仿真實驗不必直接接觸強(qiáng)電，不用進(jìn)行元件安裝和錫焊操作，從而避免濺錫傷人、線路短路、觸電等危險，保證實驗的安全。儀器庫所提供的虛擬儀器的圖形與實物相似，測試結(jié)果也與實際調(diào)試基本相似，既節(jié)省了購買大量元器件和高檔儀器的費(fèi)用，又避免了儀器損壞和元件消耗，彌補(bǔ)了真實實驗的儀器及經(jīng)費(fèi)的不足［10－11］。

（5）EWB非常適合電子電路訓(xùn)練。可以利用EWB豐富的元件庫和儀器庫搭建起更靈活的實驗電路，仿真電路的實際運(yùn)行情況，并可以熟悉常用電子儀器測量方法［12］。

3 EWB仿真軟件在電工學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

筆者結(jié)合電工學(xué)中基爾霍夫定律、戴維南定理以及元器件特性的教學(xué)內(nèi)容，說明在電工學(xué)教學(xué)過程中使用EWB軟件的優(yōu)勢和好處。

3.1 利用EWB軟件輔助理解基爾霍夫定律

基爾霍夫定律包含兩大定律，即基爾霍夫第一定律和基爾霍夫第二定律。基爾霍夫第一定律也稱為基爾霍夫電流定律（簡稱KCL），其內(nèi)容是：對電路中的任一結(jié)點(diǎn)，流入此結(jié)點(diǎn)的電流等于從該結(jié)點(diǎn)流出的電流。基爾霍夫第二定律也稱為基爾霍夫電壓定律（簡稱KVL），其內(nèi)容是：任一回路內(nèi)各段支路電壓的代數(shù)和為零。

在理論課上，由于原理圖示畢竟是靜態(tài)的，在講授時只能借助于符號、箭頭及數(shù)學(xué)公式，導(dǎo)致學(xué)生對基爾霍夫定律不能深刻理解和靈活掌握。而利用EWB軟件在課堂上進(jìn)行實時仿真演示，可以幫助學(xué)生更深入地理解這2個定律，提高學(xué)生學(xué)習(xí)電工學(xué)的興趣。

首先，打開EWB軟件，進(jìn)入元件庫并選擇2個直流電源、5個電阻，進(jìn)入儀器庫選擇多個電流表和電壓表。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊連線并修改相應(yīng)元器件參數(shù)即可快速建立完成電路圖（見圖1）。

圖1 基爾霍夫定律仿真實驗電路圖

檢查電路連線，在連線沒有任何問題的情況下，點(diǎn)擊激活仿真電源按鈕，EWB就會利用嵌入內(nèi)核SPICE對電路進(jìn)行模擬運(yùn)行，電路運(yùn)行結(jié)果可以直觀顯示在電流表和電壓表上。

由運(yùn)行仿真結(jié)果可知：電流表A1的讀數(shù)為2.436mA，電流表 A2的讀數(shù)為5.913mA，電流表A3的讀數(shù)為2.434mA，電流表 A4的讀數(shù)為3.479mA，電流表A5的讀數(shù)為3.480mA。根據(jù)電路圖，針對圖中的每個結(jié)點(diǎn)及對應(yīng)電流表的接線方向，可以很輕松地驗證基爾霍夫第一定律。

運(yùn)行結(jié)果圖還顯示：電壓表V1、V2、V3位于電路圖左邊的小回路，而且電壓表V1的讀數(shù)為2.436V，電壓表V2的讀數(shù)為5.913V，電壓表V3的讀數(shù)為3.652V，該回路電源為12V。按照圖中電壓表的連線方向，可以很容易驗證基爾霍夫第二定律。

圖1所示電路圖包含3個回路，其他2個回路驗證方法相同。在課堂教學(xué)過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合基爾霍夫定律的內(nèi)容自己進(jìn)行分析驗證，還可以很靈活地更改電路參數(shù)及電路結(jié)構(gòu)，動態(tài)地讓學(xué)生理解基爾霍夫定律，加深學(xué)生對該定律的理解和掌握。

3.2 戴維南定理的軟件輔助教學(xué)

戴維南定理是簡化網(wǎng)絡(luò)分析的一個重要定理，該定理特別適合于求解復(fù)雜電路中某一支路中的電流和功率問題。該定理指出：一個有源二端電阻網(wǎng)絡(luò)可以用一個等效電壓源來代替，等效電壓源的電動勢等于該網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，等效電壓源的內(nèi)阻等于該網(wǎng)絡(luò)的輸入電阻［1］。

學(xué)習(xí)戴維南定理需要有一定的邏輯分析能力和良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，尤其是分析復(fù)雜電路某一支路電流的情況。在用到等效電壓源時，需要建立等效電路圖，針對等效電路圖建立數(shù)學(xué)方程，學(xué)生往往在等效過程中迷失在繁瑣的數(shù)學(xué)分析和求解過程中。若利用EWB軟件快速建立等效電路圖，自動分析、計算等效電壓源及其等效內(nèi)阻，既可以避免繁瑣的數(shù)學(xué)分析，領(lǐng)略該定理的精髓，也可以提高教學(xué)效率和效果。

可按照圖2建立起戴維南定理仿真實驗電路原理圖。如果只想了解通過R3電阻的電流大小，按照戴維南定理，可以將除R3電阻以外的電路看作是一個有源二端網(wǎng)絡(luò)。在演示時，將開關(guān)KC斷開，即可構(gòu)成一個有源二端網(wǎng)絡(luò)。激活仿真電源開關(guān)，通過萬用表可以直接測量出等效電壓源電壓為7.5V。

按照戴維南定理，在尋找等效電阻時，需將該有源二端網(wǎng)絡(luò)中的電壓源短路，電流源短路。在實驗演示時，可以直接將開關(guān)KA撥至左邊，開關(guān)KB撥至右邊即可。從萬用表中測量出等效電阻值為749.4Ω。這樣，利用戴維南定理就可以將一個復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)簡化成簡單的等效電壓源和等效電阻構(gòu)成的簡單電路（見圖3），進(jìn)而得到待求電阻R3上的電流大小。

圖2 戴維南定理仿真實驗

圖3 戴維南定理電路簡化

3.3 提高負(fù)載功率因數(shù)的方法研究探討

負(fù)載的功率因數(shù)低，會浪費(fèi)大量電能，使發(fā)電設(shè)備得不到充分的利用。功率因數(shù)低的根本原因是電感性負(fù)載的存在［1］。在講授功率因數(shù)這一課程內(nèi)容的時候，可以利用EWB軟件快速建立電路原理圖，并進(jìn)行仿真動態(tài)顯示，通過更改元器件參數(shù)，體會并尋找提高功率因數(shù)的方法。

以日光燈電路為例做提高負(fù)載功率因數(shù)的實驗，利用EWB建立電路原理圖（見圖4）。為了方便于演示，本實驗電路中的參數(shù)設(shè)置如下：電源電壓220V，50Hz，日光燈燈管用一個100Ω的電阻等效，鎮(zhèn)流器阻值為100Ω，電感為1H。開關(guān)KA、開關(guān)KB和開關(guān)KC分別可以控制電路中的電容大小。交流電流表A1、A2和A3分別測量并顯示日光燈支路、電容支路和總電路電流的大小。

激活仿真電源后，先將開關(guān)KA、KB、KC斷開。仿真結(jié)果顯示：電流表A1和A3測量值為585.4mA。當(dāng)開關(guān)KA閉合后，電流表A1示數(shù)沒有發(fā)生變化，A2示數(shù)為70.02mA，A3示數(shù)為527.4mA。當(dāng)開關(guān)KA、KB、KC逐次都閉合后，發(fā)現(xiàn)電流表A1示數(shù)始終為585.4mA，沒有發(fā)生任何變化，A2示數(shù)為210.1mA，A3示數(shù)為422.6mA。

圖4 提高功率因數(shù)電路圖

演示結(jié)果顯示，總電流（A3所示）隨著并入的電容增加而減小，但是日光燈燈管支路電流始終沒有發(fā)生任何變化。因視在功率S＝UI，U 不變，始終為220V，但是總電流卻逐漸減小了。這說明視在功率也相應(yīng)減小，但是，日光燈支路的電流卻沒有發(fā)生任何變化，也就是說其消耗的有功功率不變。這說明，在保證日光燈正常工作的前提下，并入適當(dāng)?shù)碾娙荩梢蕴岣哓?fù)載的功率因數(shù)。

利用EWB軟件，可以實現(xiàn)師生互動，驗證學(xué)生的想法，讓學(xué)生自己進(jìn)行電路分析，從中理解功率因數(shù)這一重要概念。與此同時，通過調(diào)節(jié)電路元器件參數(shù)，使得學(xué)生直觀、形象地理解并入適當(dāng)?shù)碾娙菔强梢蕴岣哓?fù)載的功率因數(shù)的。此外，還可以讓學(xué)生通過實驗，自主探究并入電容的最佳值是多少，如何進(jìn)行理論計算等一些問題。結(jié)合EWB軟件，可以克服傳統(tǒng)電工學(xué)教學(xué)中的困難，極大地調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究的動力和興趣。

4 結(jié)束語

本文探討了在電工學(xué)課程教學(xué)中如何利用仿真實驗快捷、高效地輔助理論課教學(xué)。通過對3個實驗的討論，展現(xiàn)了利用EWB軟件輔助教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)：可以方便地將實驗室搬到實際的理論課堂上，在課堂上易于動態(tài)顯示、互動仿真，靈活方便地修改電路，加深學(xué)生對電路結(jié)構(gòu)和原理的理解，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)的效率和效果。

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