仿真实验在“电路”课程理论教学中的应用

2014-05-02任兆香谷海青李晓飞

实验技术与管理 2014年5期

任兆香，谷海青，张倩，李晓飞

（天津理工大学自动化学院，天津 300384）

“电路”是高等工科院校电子与电气信息类专业重要的基础课［1］，它在整个电子与电气信息类专业的人才培养方案和课程体系中起着承前启后的关键作用。该课程的特点是既有较抽象的理论分析，又有较具体的实际应用，可以说，只要涉及电能的产生、传输和应用的地方，就会用到电路理论。该课程理论严密、物理概念多、逻辑性强，与工程技术及生活实际联系紧密，常常需要就宏观现象进行微观解释。它不但要求学生掌握电路的基本原理和计算方法，更重要的是培养学生在电路分析、设计和实际应用方面的能力。

1 仿真实验在电路课程理论教学中的作用

在以往的教学模式中，电路课程的理论教学与实验教学是分开进行的。理论教学较多地依赖于教师的讲解，大量的理论阐述、例题演算、数学推导，容易使学生陷入单调、枯燥的学习境地，基础较差、理解能力欠佳的学生难以跟上教学进度。时间一长，学生的学习积极性降低了，有的学生甚至失去了学习兴趣和信心。这种状况应引起任课教师的重视并努力提高教学效果。将仿真实验引入课堂教学是一个有效的方法［2］。

随着市场经济的发展，社会对工程技术人员分析问题、解决问题的能力，综合运用基础理论的能力和工具软件应用能力的要求愈来愈高，要求技术人员既要掌握扎实的理论知识，也要能熟练运用计算机分析与设计软件工具。以计算机辅助分析（computer aided analysis，CAA）和计算机辅助设计（computer aided design，CAD）为基础的电子设计自动化（electric design automation，EDA）是当代电子电路及专用集成电路设计中不可缺少的重要技术手段［3］。将计算机仿真软件引入电路课程教学，使理论教学与虚拟仿真实验紧密结合，能够使教学知识点更加容易理解、抽象的知识变得更加直观。学生在学习专业知识的同时也学习工具软件的使用方法，能更好地适应社会需要。

仿真实验利用了计算机人机交互、图形动画、高速运算、海量存储以及智能化功能，不受时间、地点的限制，而且可以设置故障状态和极限情境，不用担心元器件、实验仪器的损坏，因此可以极大地解放学生思想，有利于创新思维的形成。例如，对三相电路的仿真，可以分析在对称和不对称、星接和角接以及不同性质的负载情况下，相线电压、相线电流的幅值与相位的关系，而且可以设置某一相开路而其余两相负载对称、有中线和无中线等工作情况，分析全面、透彻，而且不必担心发生强电触电等危及人身安全的事故。仿真实验与实验室进行的硬件实验具有相互补充的作用［4］。

2 用于电路课程理论教学的仿真软件

电子电路的计算机仿真技术发展迅速，OrCAD、Tina Pro、PSPICE、Multism、LabVIEW、ProtelDXP等电路仿真软件不断升级换代，功能越来越强大，实现了图形电路录入、层次化管理、图形输出和数值输出、线路板绘制等功能，在应用中它们有许多共同的特点。

PSPICE是许多高校和企业进行电路仿真分析的理想软件之一。该软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，仿真快速、准确且具有良好的人机交互环境，操作方便、易学易用。该软件的用途非常广泛，不仅可用于电路分析和优化设计，还可用于高校电子线路、电路、信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印刷线路板设计软件配合使用，可以实现电子设计自动化。

PSPICE的这些特点使得它受到国内外广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的欢迎。在大学里，它是工科类学生必会的电路分析与设计工具；在生产企业中，它是产品从设计、试验到定型过程中不可缺少的设计工具。世界各国的半导体元件生产企业为它提供的上万种模拟和数字元件组成了元件库，使PSPICE软件的仿真更可信、更真实。PSPICE软件几乎完全取代了电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。有了PSPICE软件就相当于有了电路和电子学模拟实验室［5］。

PSPICE可用于模拟电路、数字电路及模数混合电路的分析和电路优化设计，其分析功能体现在以下几方面：（1）直流分析，包括直流工作点分析、直流小信号传输函数分析、直流扫描分析和直流小信号灵敏度分析；（2）交流小信号分析，包括交流频响特性分析和交流噪声分析；（3）瞬态分析，包括时域响应和傅里叶分析；（4）温度特性分析；（5）蒙特卡罗分析（最坏情况分析）；（6）参数扫描分析。

利用PSPICE的电路分析功能，可以测试电路的各项性能指标，测试电路在高温、高压等极端条件下的承受能力。PSPICE能提供多种观测标识符，可以观测电路图中任意点、任何变量以及各种函数表达式的波形和数据，可以对电路进行优化设计，将多个设计方案进行比较，在电路方案的选型、分析、优化设计和最终确定的过程中不涉及任何硬件和纸笔，不仅能节省开支，并且能大大缩短设计周期，提高设计精度［6］。

基于以上优点，笔者在电路理论教学中，引入PSPICE进行仿真分析。

3 仿真实验在电路课程理论教学中的应用

在教学中应用PSPICE软件，可以对各类电路进行仿真分析，如元件性质、电路定理、瞬态过程、正弦稳态电路、互感电路、频率特性、三相电路、非正弦周期电路等。教学课件和PSPICE辅助分析软件一同安装在电脑里，教师备课时预先选好电路或例题，做好电路图形录入、符号参数和分析类型设置、Probe窗口曲线输出调试等项工作［7］，讲课时配合理论教学内容适时切换到仿真软件。

例如：在PSPICE中绘出一阶动态电路如图1所示，t＝1s时闭合开关S，分别在uC1（0－）＝4V 和uC1（0－）＝20V的情况下求电容电流、电压及电流源发出的功率［8］。

图1 在PSPICE中输入一阶动态电路

从图1可知，本例是求直流激励下一阶电路的全响应，可以应用PSPICE的时域扫描功能求解动态电路的过渡过程，初始值用电容参数IC设置。

当uC1（0－）＝4V时，电容电压初值设置为IC＝4 V，仿真参数设置 Maximum step为10ms，因为电路的时间常数τ＝R1C1＝2s，所以从零时刻开始，总的分析时间设为12s。

电容电流和电压波形如图2所示，电容电压由初值4V按指数规律单调增加到稳定值16V，电容电流在换路时由0突变到最大值5.970 1A，之后按指数规律衰减至0。电容电流始终为正，电压升高，这恰是电容充电的过程。

再看电流源的功率如图3所示，由于PSPICE默认元件的电压是由首结点指向末结点，并且电流与电压取关联参考方向。图1中的电流源电压的参考方向下端为正，上端为负，这样计算出来的功率都表示元件吸收的功率，图3中电流源的功率为负，说明它实际发出功率［9］。

图2 uC1（0＿）＝4V时电容电压及对应电流波形

图3 uC1（0＿）＝4V时电流源吸收的功率

在开关闭合前，电流源吸收功率为P＝UI＝（－16）×8＝－128W，即发出128W，全部被电阻消耗。开关闭合瞬间，因为电容电压不能突变，且电容和电流源并联，所以电流源电压跳变到4V，吸收功率为P＝UI＝（－4）×8＝－32W，即发出32W，这时流过电阻的电流减少，所以虽然电源在为电容充电，但电阻消耗的能量比充电前要少。在持续充电过程中，电容电压升高，电阻消耗的能量就增加，电源发出的功率也在增加。当充电过程结束后，电容相当于开路，电流源的电流全部流过电阻，消耗的功率又达到最大值128W。

在当uC1（0－）＝20V情况下，电容电压初值设置为IC＝20V，仿真参数设置不变，输出波形如图4所示。图4中电容电压初值为20V，按指数规律下降到稳态值16V。电容电流始终是负值。这些都说明过渡过程中电容在向外释放能量，正是电容的放电过程。且由图5电流源吸收的功率曲线可知，在电容释放能量的过程中，电流源发出的功率也比初始状态要多。这是因为开关闭合前电阻两端电压为16V，开关闭合后，uC1（0＋）＝uC1（0－）＝20V，电流源、电阻和电容并联，过渡过程中电阻电压等于电容电压，高于电阻电压初始值16V，所以电阻吸收的功率增加了，导致电源发出的功率增加。

图4 uC1（0＿）＝20V时电容电压及对应电流波形

图5 uC1（0＿）＝20V时电流源吸收的功率

以上对一阶RC电路充放电过程的分析，如同将虚拟实验室搬到理论教学课堂。在PSPICE的图形后处理器中，利用波形跟踪命令（Add Trace）能够察看各个变量的波形，能够同时显示多个曲线窗口，也能够在同一幅图中显示数值范围悬殊的几条曲线，便于进行对比。使用“光标定位”功能，可以精确读出曲线上各点的坐标，并且可以随堂改变电路参数以及初始值、稳态值等，就像实验室里的示波器一样，学生有身临其境的感觉［10］。例如改变R、C值，观察过渡过程的长短及曲线变化趋势，理解各种参数改变对电路的影响。

仿真分析与理论教学相结合，能让抽象的讲解具体化，进行接近实际电路的分析，吸引学生的注意，带动学生观察现象、发现问题、总结规律，使学生感觉到理论知识与实践相联系不脱节，提高教学效果［11］。