以仿真輔助電工教學(xué)的案例實踐與思考

曹玲玲 朱雪秦 潘學(xué)偉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電工程與自動化學(xué)院 廣東·深圳 518055）

0 引言

電工學(xué)，即電工與電子技術(shù)，是面向全校所有非電類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。目前哈工大深圳校區(qū)開設(shè)該課程的有機(jī)械、材料、環(huán)境、計算機(jī)四個專業(yè)，每年涉及學(xué)生人數(shù)近八百，隨著校區(qū)本科生規(guī)模逐漸擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)持續(xù)增加。筆者經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)了課程中存在的問題，經(jīng)過思考和探究，認(rèn)為在課程中以仿真技術(shù)為輔助有利于填補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)深度不足的問題，并有助于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)及設(shè)計思考能力。

1 當(dāng)前課程存在的主要問題

1.1 學(xué)習(xí)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(jìn)行工程實訓(xùn)，部分學(xué)生未能全面了解工科就業(yè)環(huán)境，甚至認(rèn)為將來不可能做“電工”，因此在非電類專業(yè)中普遍存在對課程重視度不夠的問題。所謂態(tài)度決定高度，如果學(xué)生態(tài)度敷衍，不能從思想上重視該課程，必將影響最終學(xué)習(xí)效果。

1.2 學(xué)習(xí)興趣的欠缺

目前電工學(xué)僅設(shè)置了56學(xué)時，但包含電路、模擬電子及數(shù)字電子三部分內(nèi)容，因此課堂講授進(jìn)度較快。此外，現(xiàn)有教學(xué)主要通過課堂PPT及板書授課，較為枯燥，學(xué)生難以長時間集中精力。特別是當(dāng)課程中出現(xiàn)較難內(nèi)容而學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)積極性進(jìn)一步下降。

1.3 設(shè)計環(huán)節(jié)的欠缺

電工學(xué)課程本身已存在教學(xué)內(nèi)容豐富但學(xué)時少的問題[1]，很難在現(xiàn)有學(xué)時內(nèi)再增加設(shè)計環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的電工理論課和實驗課，大多對基礎(chǔ)原理進(jìn)行解釋及驗證，并未引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識從不同思路完成設(shè)計要求，設(shè)計思維鍛煉的欠缺使得學(xué)以致用的終極教學(xué)目標(biāo)很難實現(xiàn)。

2 仿真輔助的學(xué)習(xí)方法探索

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

常用的電學(xué)仿真軟件有 Saber、Psim、Multisim[3]、LTspice等幾種，具有學(xué)生易上手、元器件庫豐富、仿真數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢，許多高校選購了以上軟件，其中LTspice作為一款免費(fèi)開放版權(quán)的軟件，更是受到廣大師生的歡迎。

下文以運(yùn)算放大器為例，在Saber軟件中詳析仿真技術(shù)在電工學(xué)中的作用。

2.1 求和電路理論回顧

電工學(xué)課程介紹了兩種典型求和運(yùn)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(jù)運(yùn)放的虛斷和虛短特點，由關(guān)系式i1+i2=iF可推導(dǎo)輸出電壓為

圖1：求和運(yùn)算電路

可推導(dǎo)出輸出電壓為

根據(jù)電工學(xué)課程目標(biāo)，要求學(xué)生能夠推導(dǎo)輸入信號和輸出信號之間的關(guān)系，并能夠設(shè)計一些簡單的電路。至此，學(xué)生完成了課程的基本要求，但并不意味著能夠在實際應(yīng)用中合理選擇設(shè)計這些運(yùn)算電路。

2.2 求和電路應(yīng)用設(shè)計

在某電子設(shè)計競賽中，要求運(yùn)用DSP芯片進(jìn)行信號處理。由于采樣信號為交流，需要對其進(jìn)行處理，使A/D采樣的電壓范圍為0-3V。學(xué)生設(shè)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(diào)試中發(fā)現(xiàn)直流電壓端口出現(xiàn)了交流分量，實驗現(xiàn)象超出了電工學(xué)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(xiàn)的求和電路

在圖2(a)中，利用并聯(lián)穩(wěn)壓器二極管（LM336-2.5）輸出穩(wěn)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(yùn)放LF353。經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)圖中ui1處不再是穩(wěn)定的1.25V，而是疊加了一部分交流信號，與實驗結(jié)果相符。

為解釋該實驗現(xiàn)象，對圖2(a)所示電路進(jìn)行分析。運(yùn)用戴維南定理及諾頓定理，將其中的2.5V直流穩(wěn)壓及分壓電路進(jìn)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(lián)電阻構(gòu)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(yùn)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(xué)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(yùn)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(xiàn)實世界并無理想電源，因此被其他輸入源干擾的現(xiàn)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(shè)計目標(biāo)，亦可采用反相加法器，如圖3所示。由于運(yùn)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(xiàn)的求和電路

圖4給出了Saber仿真結(jié)果，分別對應(yīng)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(wěn)定直流信號，不受另一輸入源的影響。

圖4：Saber仿真結(jié)果

通過上述案例，可以發(fā)現(xiàn)，如果局限于課堂講授，學(xué)生只能掌握到電工學(xué)的基本原理，在將來的生產(chǎn)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(shù)的輔助，學(xué)生可以進(jìn)一步深入理解課堂所學(xué)，也能夠在設(shè)計實踐中快速驗證，在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計思維，并加快了項目的進(jìn)程。

3 結(jié)語

綜上所述，在電工學(xué)課程中輔助以仿真技術(shù)，能夠克服電工學(xué)課時少內(nèi)容多的困難，幫助學(xué)生掌握、理解并升華所學(xué)理論知識，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)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(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計思維能力，真正實現(xiàn)學(xué)以致用。