以仿真輔助電工教學的案例實踐與思考

曹玲玲 朱雪秦 潘學偉

（哈爾濱工業大學（深圳）機電工程與自動化學院 廣東·深圳 518055）

0 引言

電工學，即電工與電子技術，是面向全校所有非電類專業的一門技術基礎課。目前哈工大深圳校區開設該課程的有機械、材料、環境、計算機四個專業，每年涉及學生人數近八百，隨著校區本科生規模逐漸擴大，學生人數持續增加。筆者經過幾年的教學實踐，發現了課程中存在的問題，經過思考和探究，認為在課程中以仿真技術為輔助有利于填補現有教學深度不足的問題，并有助于提高學生的自主學習及設計思考能力。

1 當前課程存在的主要問題

1.1 學習重視度的欠缺

由于授課對象為非電類大一或大二新生，尚未進行工程實訓，部分學生未能全面了解工科就業環境，甚至認為將來不可能做“電工”，因此在非電類專業中普遍存在對課程重視度不夠的問題。所謂態度決定高度，如果學生態度敷衍，不能從思想上重視該課程，必將影響最終學習效果。

1.2 學習興趣的欠缺

目前電工學僅設置了56學時，但包含電路、模擬電子及數字電子三部分內容，因此課堂講授進度較快。此外，現有教學主要通過課堂PPT及板書授課，較為枯燥，學生難以長時間集中精力。特別是當課程中出現較難內容而學生未能及時掌握時，容易形成知識難點堆積，畏難情緒的積累使學生的學習積極性進一步下降。

1.3 設計環節的欠缺

電工學課程本身已存在教學內容豐富但學時少的問題[1]，很難在現有學時內再增加設計環節。現有的電工理論課和實驗課，大多對基礎原理進行解釋及驗證，并未引導學生運用所學知識從不同思路完成設計要求，設計思維鍛煉的欠缺使得學以致用的終極教學目標很難實現。

2 仿真輔助的學習方法探索

如何在有限課時內，提高學生學習興趣并鍛煉學生設計思維，是電工學課程亟須解決的問題。傳統的實驗教學是非常有效的解決方案[2]，通過讓學生動手操作來培養興趣及提高能力，然而實驗教學過于依賴實驗室硬件條件，學生需要在指定時間和指定地點完成實驗。相較而言，筆者認為利用仿真技術同樣能夠幫助學生思考與設計，并且不需依賴實驗室硬件，使得學生能夠隨時隨地對所想進行仿真驗證。

常用的電學仿真軟件有 Saber、Psim、Multisim[3]、LTspice等幾種，具有學生易上手、元器件庫豐富、仿真數據可靠等優勢，許多高校選購了以上軟件，其中LTspice作為一款免費開放版權的軟件，更是受到廣大師生的歡迎。

下文以運算放大器為例，在Saber軟件中詳析仿真技術在電工學中的作用。

2.1 求和電路理論回顧

電工學課程介紹了兩種典型求和運算電路：反相加法器和同相加法器，如圖1所示[4]。

在圖1(a)中，根據運放的虛斷和虛短特點，由關系式i1+i2=iF可推導輸出電壓為

圖1：求和運算電路

可推導出輸出電壓為

根據電工學課程目標，要求學生能夠推導輸入信號和輸出信號之間的關系，并能夠設計一些簡單的電路。至此，學生完成了課程的基本要求，但并不意味著能夠在實際應用中合理選擇設計這些運算電路。

2.2 求和電路應用設計

在某電子設計競賽中，要求運用DSP芯片進行信號處理。由于采樣信號為交流，需要對其進行處理，使A/D采樣的電壓范圍為0-3V。學生設計了同相加法器，將輸入交流采樣信號與固定直流電壓相加，在實驗室搭建了電路，卻在調試中發現直流電壓端口出現了交流分量，實驗現象超出了電工學課程課堂所授。為求證，在Saber仿真軟件中搭建了如圖2所示的電路圖。

圖2：利用同相加法器實現的求和電路

在圖2(a)中，利用并聯穩壓器二極管（LM336-2.5）輸出穩定2.5V電壓，再分壓得到ui（11.25V），最后與交流采樣電壓 us（-0.5V～0.5V）相加，使最終輸出電壓范圍為0.75V～1.75V。為貼近實際電路，在Saber軟件中使用了真實運放LF353。經仿真發現圖中ui1處不再是穩定的1.25V，而是疊加了一部分交流信號，與實驗結果相符。

為解釋該實驗現象，對圖2(a)所示電路進行分析。運用戴維南定理及諾頓定理，將其中的2.5V直流穩壓及分壓電路進行等效，得到圖2(b)中的等效電壓源。由于電源的非理想性，等效電壓源串聯電阻構成同相加法器輸入電阻的一部分，由交流源、等效電壓源與運放輸入電阻形成回路，回路電流必含有一定交流分量，則ui2處的電壓含有交流分量，也即受到交流采樣電壓us的影響。

再重新回到基本電工學課程，在同相加法器中，兩輸入源互相干擾的最根本原因在于運放的輸入阻抗極大，具有虛斷特性，使得輸入源之間形成回路。

現實世界并無理想電源，因此被其他輸入源干擾的現象不可避免，需要尋找更適合的解決方案。為完成前文所述設計目標，亦可采用反相加法器，如圖3所示。由于運放反相端電壓u-虛地，等效電壓源支路不再流過正弦電流，即不受另一正弦輸入源的干擾。

圖3：利用反相加法器實現的求和電路

圖4給出了Saber仿真結果，分別對應圖2(a)、圖2(b)和圖3中的ui1、ui2和ui3。可見，ui1和ui2等效，均受到正弦輸入的干擾，含有一定正弦分量；而ui3為穩定直流信號，不受另一輸入源的影響。

圖4：Saber仿真結果

通過上述案例，可以發現，如果局限于課堂講授，學生只能掌握到電工學的基本原理，在將來的生產實踐中，仍然有可能面對實際問題束手無策。然而，有了仿真技術的輔助，學生可以進一步深入理解課堂所學，也能夠在設計實踐中快速驗證，在一定程度上培養了學生的設計思維，并加快了項目的進程。

3 結語

綜上所述，在電工學課程中輔助以仿真技術，能夠克服電工學課時少內容多的困難，幫助學生掌握、理解并升華所學理論知識，提高學生自主學習能力和學習興趣；與實驗輔助手段不同，仿真輔助不受空間和時間的限制，具有更大的自由度；并且能夠提高學生的創新設計思維能力，真正實現學以致用。