EWB在電路實驗課程中的應用

陸平

摘 要 電路實驗是工科院校相關專業開設的一門實踐環節課程，專業認證對該課程提出較高的要求。以一個典型的電路實驗為例，利用EWB軟件進行仿真，并對仿真結果加以分析。還對EWB仿真軟件在教學中的優勢進行說明。

關鍵詞 電路實驗；專業認證；EWB

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）12-0045-03

1 前言

江蘇南通大學電氣工程學院一直注重實踐環節的教學，電工電子實驗中心早在2009年就被江蘇省教育廳評為省級教學示范中心。為了突出實踐環節的重要性，電氣工程及其自動化專業將有些課程的課內實驗單獨設課，電路實驗就是一門單獨開設的課程。該課程一共十個實驗，其中兩個是軟件實驗，要求學生利用EWB軟件進行仿真。2015年起，為了迎接電氣工程及其自動化專業認證，學院對電路實驗的教學提出更高的要求。本文結合EWB軟件的特點、專業認證的要求，以及筆者多年來的教學經驗，對EWB軟件在電路實驗中的應用進行探討。

2 EWB軟件簡介

EWB軟件，是20世紀90年代初推出的EDA軟件，用于模擬電路和數字電路的混合仿真，是一款小巧但仿真功能十分強大的軟件，可以幾乎100%地仿真出真實電路的結果。在眾多的電路仿真軟件中，EWB是比較容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個窗口內，對于電子設計工作者來說是個極好的EDA工具。EWB建立在SPICE基礎上，具有以下突出特點：

1）采用直觀的圖形界面創建電路；

2）EWB軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果；

3）EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法；

4）作為設計工具，EWB軟件可以同其他流行的電路分析、設計和制板軟件交換數據；

5）EWB軟件是一款優秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器，可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗。

3 專業認證對該課程的要求

根據電氣工程及其自動化專業認證的要求，對畢業要求及指標點進行分解。電路實驗支撐其中六個指標點：

1）能運用數學、自然科學、工程基礎和電氣工程及其自動化專業知識掌握典型復雜電氣工程問題的物理本質，并抽象、歸納，理解其局限性，以獲得有效結論；

2）能運用數學、自然科學、工程基礎和專業知識，識別和判斷復雜電氣工程問題的關鍵環節和參數，描述和求解復雜電氣工程系統或過程，以獲得有效結論；

3）能夠基于科學原理并采用科學方法，對電氣工程及其自動化專業領域的復雜工程問題設計合理的實驗方案；

4）能夠基于科學原理并采用科學方法，針對電氣工程及其自動化專業領域的復雜工程問題進行數據分析與解釋；

5）能夠針對電氣工程及其自動化專業領域的復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具；

6）能夠運用現代工程工具和信息技術工具，對電氣工程及其自動化專業領域的復雜工程問題進行預測和模擬，并能夠理解其局限性。

課程中的兩個軟件實驗，對以上六個指標點都有支撐作用。比如：可以利用EWB軟件，根據實驗原理設計相應的電路并進行仿真，得到相關數據，并對仿真結果加以解釋。

4 仿真實例

現以其中一個EWB實驗“電路的頻率特性研究”為例，分析如何用EWB軟件進行仿真研究。在正弦穩態情況下，當電路網絡中含有電抗元件（電容、電感）時，電路的工作狀況將隨頻率的變動而變動，如圖1所示。

為了突出電路的頻率特性，常分析輸出電壓與輸入電壓之比的頻率特性，即電壓轉移比，它們可寫為H（jω）=

式中，ω為信號角頻率；|H（jω）|表示電壓比的模（或稱電壓增益）與角頻率之間的關系，即幅頻響應；φ（ω）表示相位差與角頻率之間的關系，即相頻響應。兩者結合起來可全面表征電路的頻率響應。

測試一階RC低通電路的頻率特性 建立電路如圖2所示，輸入信號取信號源庫中的交流電壓源，雙擊圖標，將其電壓設置為1 V，頻率設置為1 kHz；波特儀從儀器庫得到。

雙擊波特儀圖標，啟動模擬程序，點擊波特儀讀數游標移動按鈕或者直接拖曳讀數游標，使游標與曲線交點處垂直坐標的讀數非常接近0.707，即-20 dB/十倍頻頻率點對應的網絡函數的模值|H（jω）|，此時交點處水平坐標的讀數即為f0的數值。實驗測得f0=145.5 kHz。

分別測試0.01f0、0.1f0、0.5f0、5f0、10f0、100f0點所對應的|H（jω）|和φ（jω），如表1所示。

二階RLC帶通濾波 根據要求設計RLC帶通濾波電路，并確定一組參數。該電路滿足下列要求：

1）電源電壓U=1 V；

2）串聯諧振時，10 mA≤I0≤30 mA；

3）電容10 nF≤C≤30 nF；

4）諧振頻率20 kHz

對該帶通濾波電路的要求進行分析，根據電源電壓及電流，可以取電路中的R=50 Ω。當U=1 V，如果發生串聯諧振，I0=1 V/50 Ω=20 mA，滿足設計要求。根據要求3）、4），可取C=20 nF，f0=30 kHz。根據諧振時，計算得到L≈1.407 mH。

根據設計參數，畫出仿真電路圖，測出如圖3所示。

由波特儀測出諧振頻率f0=30.04 kHz，如圖4所示，與理論值基本一致。

由波特儀還可測出下限截止頻率f1=27.305 kHz，上限截止頻率f2=32.97 kHz。將電源頻率改為諧振頻率f0=30.04 kHz，測量此時電容兩端的電壓UC=5.182 V，測量電路如圖5所示。

由測量值f0、f1、f2、UC，以及L、R，可利用三種方法計算該電路的品質因數，分別如下：

由以上計算結果可以看出，利用EWB仿真，三種方法計算得到的品質因數基本相等，諧振頻率與理論值也基本相等。

5 結語

由上面的分析可以看出，EWB軟件的功能十分強大，無論是驗證性實驗，還是設計性實驗，仿真結果非常接近于理論值。還有采用EWB仿真時，電路參數是可以任意給定的。比如上面的分析中，通過計算得到電感L≈1.407 mH，在后面的仿真研究中，可以直接將電感值設為1.407 mH，如果采用硬件電路來實現，想要找出1.407 mH電感是比較困難的。EWB軟件非常小巧，學生可安裝在自己的電腦中，便于隨時自學。教師也可以在理論教學過程中現場演示這樣的仿真實驗，使學生有一定的感性認識，提高他們的學習積極性。

參考文獻

[1]邱關源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]吳曉新，堵俊.電路與電子技術實驗教程[M].2版.北京：電子工業出版社，2016.

[3]黃浩，賈振紅，葛文萍，等.通信工程專業MATLAB教學中微波電路實驗的改革與探索[J].中國教育技術裝備，2014（6）：105-107.

[4]陳躍華，朱子義，張一建，等.計算機仿真軟件EWB在電子電路實驗中的應用[J].中國教育技術裝備，2011（15）：123-125.