仿真實(shí)驗(yàn)在“電路”課程理論教學(xué)中的應(yīng)用

任兆香，谷海青，張 倩，李曉飛

（天津理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384）

“電路”是高等工科院校電子與電氣信息類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課［1］，它在整個(gè)電子與電氣信息類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和課程體系中起著承前啟后的關(guān)鍵作用。該課程的特點(diǎn)是既有較抽象的理論分析，又有較具體的實(shí)際應(yīng)用，可以說(shuō)，只要涉及電能的產(chǎn)生、傳輸和應(yīng)用的地方，就會(huì)用到電路理論。該課程理論嚴(yán)密、物理概念多、邏輯性強(qiáng)，與工程技術(shù)及生活實(shí)際聯(lián)系緊密，常常需要就宏觀現(xiàn)象進(jìn)行微觀解釋。它不但要求學(xué)生掌握電路的基本原理和計(jì)算方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生在電路分析、設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用方面的能力。

1 仿真實(shí)驗(yàn)在電路課程理論教學(xué)中的作用

在以往的教學(xué)模式中，電路課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)是分開(kāi)進(jìn)行的。理論教學(xué)較多地依賴于教師的講解，大量的理論闡述、例題演算、數(shù)學(xué)推導(dǎo)，容易使學(xué)生陷入單調(diào)、枯燥的學(xué)習(xí)境地，基礎(chǔ)較差、理解能力欠佳的學(xué)生難以跟上教學(xué)進(jìn)度。時(shí)間一長(zhǎng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性降低了，有的學(xué)生甚至失去了學(xué)習(xí)興趣和信心。這種狀況應(yīng)引起任課教師的重視并努力提高教學(xué)效果。將仿真實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)是一個(gè)有效的方法［2］。

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)工程技術(shù)人員分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論的能力和工具軟件應(yīng)用能力的要求愈來(lái)愈高，要求技術(shù)人員既要掌握扎實(shí)的理論知識(shí)，也要能熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)軟件工具。以計(jì)算機(jī)輔助分析（computer aided analysis，CAA）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electric design automation，EDA）是當(dāng)代電子電路及專用集成電路設(shè)計(jì)中不可缺少的重要技術(shù)手段［3］。將計(jì)算機(jī)仿真軟件引入電路課程教學(xué)，使理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，能夠使教學(xué)知識(shí)點(diǎn)更加容易理解、抽象的知識(shí)變得更加直觀。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)也學(xué)習(xí)工具軟件的使用方法，能更好地適應(yīng)社會(huì)需要。

仿真實(shí)驗(yàn)利用了計(jì)算機(jī)人機(jī)交互、圖形動(dòng)畫(huà)、高速運(yùn)算、海量存儲(chǔ)以及智能化功能，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，而且可以設(shè)置故障狀態(tài)和極限情境，不用擔(dān)心元器件、實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，因此可以極大地解放學(xué)生思想，有利于創(chuàng)新思維的形成。例如，對(duì)三相電路的仿真，可以分析在對(duì)稱和不對(duì)稱、星接和角接以及不同性質(zhì)的負(fù)載情況下，相線電壓、相線電流的幅值與相位的關(guān)系，而且可以設(shè)置某一相開(kāi)路而其余兩相負(fù)載對(duì)稱、有中線和無(wú)中線等工作情況，分析全面、透徹，而且不必?fù)?dān)心發(fā)生強(qiáng)電觸電等危及人身安全的事故。仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的硬件實(shí)驗(yàn)具有相互補(bǔ)充的作用［4］。

2 用于電路課程理論教學(xué)的仿真軟件

電子電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展迅速，OrCAD、Tina Pro、PSPICE、Multism、LabVIEW、ProtelDXP等電路仿真軟件不斷升級(jí)換代，功能越來(lái)越強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)了圖形電路錄入、層次化管理、圖形輸出和數(shù)值輸出、線路板繪制等功能，在應(yīng)用中它們有許多共同的特點(diǎn)。

PSPICE是許多高校和企業(yè)進(jìn)行電路仿真分析的理想軟件之一。該軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能，仿真快速、準(zhǔn)確且具有良好的人機(jī)交互環(huán)境，操作方便、易學(xué)易用。該軟件的用途非常廣泛，不僅可用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可用于高校電子線路、電路、信號(hào)與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與印刷線路板設(shè)計(jì)軟件配合使用，可以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

PSPICE的這些特點(diǎn)使得它受到國(guó)內(nèi)外廣大電子設(shè)計(jì)工作者、科研人員和高校師生的歡迎。在大學(xué)里，它是工科類學(xué)生必會(huì)的電路分析與設(shè)計(jì)工具；在生產(chǎn)企業(yè)中，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)到定型過(guò)程中不可缺少的設(shè)計(jì)工具。世界各國(guó)的半導(dǎo)體元件生產(chǎn)企業(yè)為它提供的上萬(wàn)種模擬和數(shù)字元件組成了元件庫(kù)，使PSPICE軟件的仿真更可信、更真實(shí)。PSPICE軟件幾乎完全取代了電路實(shí)驗(yàn)中的元件、面包板、信號(hào)源、示波器和萬(wàn)用表。有了PSPICE軟件就相當(dāng)于有了電路和電子學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)室［5］。

PSPICE可用于模擬電路、數(shù)字電路及模數(shù)混合電路的分析和電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，其分析功能體現(xiàn)在以下幾方面：（1）直流分析，包括直流工作點(diǎn)分析、直流小信號(hào)傳輸函數(shù)分析、直流掃描分析和直流小信號(hào)靈敏度分析；（2）交流小信號(hào)分析，包括交流頻響特性分析和交流噪聲分析；（3）瞬態(tài)分析，包括時(shí)域響應(yīng)和傅里葉分析；（4）溫度特性分析；（5）蒙特卡羅分析（最壞情況分析）；（6）參數(shù)掃描分析。

利用PSPICE的電路分析功能，可以測(cè)試電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)，測(cè)試電路在高溫、高壓等極端條件下的承受能力。PSPICE能提供多種觀測(cè)標(biāo)識(shí)符，可以觀測(cè)電路圖中任意點(diǎn)、任何變量以及各種函數(shù)表達(dá)式的波形和數(shù)據(jù)，可以對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，在電路方案的選型、分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和最終確定的過(guò)程中不涉及任何硬件和紙筆，不僅能節(jié)省開(kāi)支，并且能大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)精度［6］。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，筆者在電路理論教學(xué)中，引入PSPICE進(jìn)行仿真分析。

3 仿真實(shí)驗(yàn)在電路課程理論教學(xué)中的應(yīng)用

在教學(xué)中應(yīng)用PSPICE軟件，可以對(duì)各類電路進(jìn)行仿真分析，如元件性質(zhì)、電路定理、瞬態(tài)過(guò)程、正弦穩(wěn)態(tài)電路、互感電路、頻率特性、三相電路、非正弦周期電路等。教學(xué)課件和PSPICE輔助分析軟件一同安裝在電腦里，教師備課時(shí)預(yù)先選好電路或例題，做好電路圖形錄入、符號(hào)參數(shù)和分析類型設(shè)置、Probe窗口曲線輸出調(diào)試等項(xiàng)工作［7］，講課時(shí)配合理論教學(xué)內(nèi)容適時(shí)切換到仿真軟件。

例如：在PSPICE中繪出一階動(dòng)態(tài)電路如圖1所示，t＝1s時(shí)閉合開(kāi)關(guān)S，分別在uC1（0－）＝4V 和uC1（0－）＝20V的情況下求電容電流、電壓及電流源發(fā)出的功率［8］。

圖1 在PSPICE中輸入一階動(dòng)態(tài)電路

從圖1可知，本例是求直流激勵(lì)下一階電路的全響應(yīng)，可以應(yīng)用PSPICE的時(shí)域掃描功能求解動(dòng)態(tài)電路的過(guò)渡過(guò)程，初始值用電容參數(shù)IC設(shè)置。

當(dāng)uC1（0－）＝4V時(shí)，電容電壓初值設(shè)置為IC＝4 V，仿真參數(shù)設(shè)置 Maximum step為10ms，因?yàn)殡娐返臅r(shí)間常數(shù)τ＝R1C1＝2s，所以從零時(shí)刻開(kāi)始，總的分析時(shí)間設(shè)為12s。

電容電流和電壓波形如圖2所示，電容電壓由初值4V按指數(shù)規(guī)律單調(diào)增加到穩(wěn)定值16V，電容電流在換路時(shí)由0突變到最大值5.970 1A，之后按指數(shù)規(guī)律衰減至0。電容電流始終為正，電壓升高，這恰是電容充電的過(guò)程。

再看電流源的功率如圖3所示，由于PSPICE默認(rèn)元件的電壓是由首結(jié)點(diǎn)指向末結(jié)點(diǎn)，并且電流與電壓取關(guān)聯(lián)參考方向。圖1中的電流源電壓的參考方向下端為正，上端為負(fù)，這樣計(jì)算出來(lái)的功率都表示元件吸收的功率，圖3中電流源的功率為負(fù)，說(shuō)明它實(shí)際發(fā)出功率［9］。

圖2 uC1（0＿）＝4V時(shí)電容電壓及對(duì)應(yīng)電流波形

圖3 uC1（0＿）＝4V時(shí)電流源吸收的功率

在開(kāi)關(guān)閉合前，電流源吸收功率為P＝UI＝（－16）×8＝－128W，即發(fā)出128W，全部被電阻消耗。開(kāi)關(guān)閉合瞬間，因?yàn)殡娙蓦妷翰荒芡蛔?，且電容和電流源并?lián)，所以電流源電壓跳變到4V，吸收功率為P＝UI＝（－4）×8＝－32W，即發(fā)出32W，這時(shí)流過(guò)電阻的電流減少，所以雖然電源在為電容充電，但電阻消耗的能量比充電前要少。在持續(xù)充電過(guò)程中，電容電壓升高，電阻消耗的能量就增加，電源發(fā)出的功率也在增加。當(dāng)充電過(guò)程結(jié)束后，電容相當(dāng)于開(kāi)路，電流源的電流全部流過(guò)電阻，消耗的功率又達(dá)到最大值128W。

在當(dāng)uC1（0－）＝20V情況下，電容電壓初值設(shè)置為IC＝20V，仿真參數(shù)設(shè)置不變，輸出波形如圖4所示。圖4中電容電壓初值為20V，按指數(shù)規(guī)律下降到穩(wěn)態(tài)值16V。電容電流始終是負(fù)值。這些都說(shuō)明過(guò)渡過(guò)程中電容在向外釋放能量，正是電容的放電過(guò)程。且由圖5電流源吸收的功率曲線可知，在電容釋放能量的過(guò)程中，電流源發(fā)出的功率也比初始狀態(tài)要多。這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)閉合前電阻兩端電壓為16V，開(kāi)關(guān)閉合后，uC1（0＋）＝uC1（0－）＝20V，電流源、電阻和電容并聯(lián)，過(guò)渡過(guò)程中電阻電壓等于電容電壓，高于電阻電壓初始值16V，所以電阻吸收的功率增加了，導(dǎo)致電源發(fā)出的功率增加。

圖4 uC1（0＿）＝20V時(shí)電容電壓及對(duì)應(yīng)電流波形

圖5 uC1（0＿）＝20V時(shí)電流源吸收的功率

以上對(duì)一階RC電路充放電過(guò)程的分析，如同將虛擬實(shí)驗(yàn)室搬到理論教學(xué)課堂。在PSPICE的圖形后處理器中，利用波形跟蹤命令（Add Trace）能夠察看各個(gè)變量的波形，能夠同時(shí)顯示多個(gè)曲線窗口，也能夠在同一幅圖中顯示數(shù)值范圍懸殊的幾條曲線，便于進(jìn)行對(duì)比。使用“光標(biāo)定位”功能，可以精確讀出曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，并且可以隨堂改變電路參數(shù)以及初始值、穩(wěn)態(tài)值等，就像實(shí)驗(yàn)室里的示波器一樣，學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)［10］。例如改變R、C值，觀察過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短及曲線變化趨勢(shì)，理解各種參數(shù)改變對(duì)電路的影響。

仿真分析與理論教學(xué)相結(jié)合，能讓抽象的講解具體化，進(jìn)行接近實(shí)際電路的分析，吸引學(xué)生的注意，帶動(dòng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、總結(jié)規(guī)律，使學(xué)生感覺(jué)到理論知識(shí)與實(shí)踐相聯(lián)系不脫節(jié)，提高教學(xué)效果［11］。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電路課程理論教學(xué)中，仿真實(shí)驗(yàn)作為一種展示性的輔助教學(xué)手段，便于教師解釋一些復(fù)雜的物理過(guò)程，強(qiáng)調(diào)概念、原理及結(jié)論的應(yīng)用。仿真軟件逼真的界面、即時(shí)性的人機(jī)交互，使學(xué)生產(chǎn)生身臨真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的感受和體驗(yàn)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的工程觀念，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新意識(shí)有重要的作用［12］。

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