淺談電工基礎(chǔ)中電路仿真軟件的應(yīng)用

何軍

摘 要：傳統(tǒng)的電工基礎(chǔ)實驗教學(xué)正面臨著安全問題、器材缺乏和實驗操作繁瑣的困境，引入電路仿真軟件可以有效解決傳統(tǒng)實驗方法的問題。本文闡述了傳統(tǒng)實驗方法的困境和電路仿真軟件的特點(diǎn)，并結(jié)合電路仿真軟件的應(yīng)用實例分析了電路仿真軟件的優(yōu)勢，以及仿真實驗與傳統(tǒng)實驗的區(qū)別。

關(guān)鍵詞：電工基礎(chǔ)；仿真軟件；電工實驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.126

1 引言

電工基礎(chǔ)課程是目前面向理工科院校微電子技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、電子信息工程技術(shù)及自動化控制技術(shù)等專業(yè)開設(shè)的課程，屬于專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，也是理工科院校對應(yīng)專業(yè)的重點(diǎn)教學(xué)課程。電工基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在著很多教學(xué)難點(diǎn)，尤其是電路實驗動手操作方面的課程教學(xué)面臨著很多困境，這也導(dǎo)致了電工基礎(chǔ)的學(xué)生普遍反映該課程不好理解、難以掌握課程內(nèi)容。而對于電路實驗的課程教學(xué)，引入電路仿真軟件建立仿真電路，可以有效改善傳統(tǒng)實驗課教學(xué)的不足之處，為電工基礎(chǔ)中理論和實踐教學(xué)的結(jié)合提供了很好的平臺，從而改變學(xué)生對于電工基礎(chǔ)課程的畏難厭學(xué)情緒，提升電工基礎(chǔ)的教學(xué)效果。

2 傳統(tǒng)教學(xué)方法面臨的困境

電工基礎(chǔ)課程由于涉及知識面廣，對知識的理解要求較高，要求學(xué)生具有很強(qiáng)的邏輯思維能力和抽象思維能力，對于基礎(chǔ)本身較薄弱的高職院校學(xué)生來說，難以很好地理解和掌握。因此讓基礎(chǔ)原本比較薄弱的高職院校學(xué)生能夠理解并應(yīng)用電工基礎(chǔ)中的相關(guān)知識成為教學(xué)中需要解決的主要問題。除了基礎(chǔ)知識不扎實、邏輯思維能力和抽象思維能力不強(qiáng)等劣勢，高職院校學(xué)生往往對自己的學(xué)習(xí)能力缺乏自信心，這樣自然導(dǎo)致他們在學(xué)習(xí)過程中興趣不高、動力不足。

3 電路仿真軟件的特點(diǎn)與優(yōu)勢

3.1 電路仿真軟件的特點(diǎn)

（1）設(shè)計環(huán)境一體化。電路仿真軟件有效實現(xiàn)了電路設(shè)計環(huán)境的集成。操作者可以任意地在仿真環(huán)境中設(shè)置數(shù)據(jù)及模擬元件，順利進(jìn)行數(shù)據(jù)模型混合仿真、原理圖輸入等工作，同時可以進(jìn)行波形圖的顯示。

（2）提供真實的實驗平臺。電路仿真軟件具備集成了數(shù)千種電路元件的元件庫，包括無源元件和有源元件、數(shù)字元件和模擬元件以及分立元件和集成元件等不同類型的電路元件，同時利用該軟件還可以擴(kuò)充現(xiàn)有的元件庫或新建元件庫。

（3）軟件操作界面友好。電路仿真軟件的操作界面十分友好，利于新手迅速上手。操作者只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以選擇元件；拖動鼠標(biāo)，便可以將元件按照實驗的電路原理圖進(jìn)行布置。在仿真實驗過程中，也可以方便地修改元件屬性、改變元件位置以及調(diào)整電路的連接方式。除此之外，電路仿真軟件在操作者布置完電路原理圖之后能夠自行進(jìn)行圖面的調(diào)整而不改變電路連線方式，從而使原理圖更加簡潔美觀。

3.2 電路仿真軟件的優(yōu)勢

（1）確保操作者和實驗器材的安全。在電工實驗過程中，一旦操作者操作不當(dāng)，很容易發(fā)生電源短路的情況，由于電路中電流過大，會導(dǎo)致電源迅速燒毀，其他電路元件也有可能損壞，甚至?xí)a(chǎn)生更嚴(yán)重的后果，操作者的人身安全和實驗器材的安全都無法得到保證因此在進(jìn)行電工基礎(chǔ)課程的實驗教學(xué)時，教師必須要解決好學(xué)生和設(shè)備的安全問題。引入電路仿真軟件到電工實驗中則有效解決了這類問題，利用電路仿真軟件去進(jìn)行電工實驗的操作時，操作者利用計算機(jī)進(jìn)行模擬操作，不會接觸到真實的電路元件與電路儀器，在仿真軟件提供的仿真實驗環(huán)境中也能夠體會到不當(dāng)操作帶來的危害和損失，從而避免了學(xué)生人身安全和實驗器材安全問題的發(fā)生。

（2）避免了繁雜的實驗準(zhǔn)備與清理工作。電路仿真軟件能夠有效解決實驗準(zhǔn)備與清理工作繁瑣的問題，而且學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真實驗時，仿真軟件元件庫中的元件和電路儀器都不會出現(xiàn)丟失或損壞的問題，也不會因為電路元件接觸不良而影響實驗結(jié)果。在進(jìn)行仿真實驗操作時，學(xué)生需要做的只是用鼠標(biāo)進(jìn)行實驗電路的連接，不會出現(xiàn)電路元件失效或接觸不良等意外情況，做起實驗自然事半功倍。

（3）解決了實驗器材不足的問題。由于很多高職院校對于實驗室硬件設(shè)施建設(shè)的投入不夠，導(dǎo)致實驗室內(nèi)相關(guān)電路元件的數(shù)量與型號十分有限，無法滿足電工實驗教學(xué)的需求。電路仿真軟件元件庫實現(xiàn)了成千上萬的電路元件的集成，就算有一些電路元件沒有包含在內(nèi)，我們也可以按照所需電路元件的各種參數(shù)創(chuàng)建新的電路元件對元件庫進(jìn)行補(bǔ)充。因此利用電路仿真軟件進(jìn)行仿真實驗有效彌補(bǔ)了實驗室中器材不足的缺點(diǎn)。

4 電路仿真軟件應(yīng)用實例

電路仿真軟件已經(jīng)在很多電工基礎(chǔ)實驗中得到了應(yīng)用，使用比較多的軟件包括EWB仿真軟件和Proteus仿真軟件。下面著重介紹利用EWB仿真軟件進(jìn)行的基爾霍夫定律仿真實驗實例。

作為電路分析中的基本定理，基爾霍夫定律反映了在電路連接中，不同支路上的電流或不同部分電壓之間的約束關(guān)系。這種約束關(guān)系只和電路連接的方式有關(guān)，與電路元件的具體參數(shù)沒有關(guān)系。基爾霍夫定律是分析求解電路的重要理論依據(jù)，也是各種集總參數(shù)電路需要遵守的規(guī)則。基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），其中基爾霍夫電流定律描述了與節(jié)點(diǎn)相連的不同支路電流間的相互關(guān)系，它指出了任意時刻對于集總參數(shù)中的任意節(jié)點(diǎn)，流出或流入該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和均為零。

首先打開EWB電路仿真軟件，按照如圖所示的實驗電路圖，點(diǎn)擊拖動鼠標(biāo)進(jìn)行電路元件和電路儀器的布置，在電路中連接起來。打開電路元件的屬性對話框，調(diào)整元件的參數(shù)。電路連接完成后，可以閉合電路開關(guān)，仿真實驗開始。各部分電壓在電壓表上得到了具體顯示，各支路電流也在電流表上有了顯示。在電路儀器上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，可以打開電路開關(guān)，讀取并記錄數(shù)值。實驗電路原理圖中顯示電路中共有3 條回路和2 個節(jié)點(diǎn)。根據(jù)測量結(jié)果，對于節(jié)點(diǎn)3流入流出的電流代數(shù)和等于零，節(jié)點(diǎn)4 也是如此。根據(jù)電壓表的測量數(shù)據(jù)，沿任意方向?qū)θ我饣芈防@行一周的電壓的代數(shù)和也是零，驗證了基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。

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