教学与科研有机融合的研究

刘桂花，王 卫，张继红，姜三勇

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

“电工学”是一门为工科院校电类和非电类专业学生开设的技术基础课，其代表性教材有文献［1］和［2］等。这些教材的特点是重视理论的学术性与系统性，结构与逻辑的严密性。该课程的教学重点不在于让学生掌握很深的理论，而在于培养学生将电工学的基本知识应用于各自专业，继而创新性地发展各自专业的能力。因此，在课程教学过程中既要为学生搭建完整且可塑的知识框架，又要从工程应用性和专业需求出发，建立理论知识与实际应用的双向互动体系［3，4］。

本文从高校教师角度出发，对“电工学”集成运算放大电路中的差分放大电路和科研中光伏并网发电系统的电网电压信息采集技术进行有机融合，探索如何将教学与科研进行有机结合。

1 教学内容的规划与设计

教师讲授“电工学”课程之前，通常要对教学内容进行合理规划与设计，规划设计的好坏将直接影响教学质量和效果。“电工学”集成运算放大电路中的差分放大电路在实际中应用非常广泛，是学生需要重点掌握的内容。笔者对于该部分内容按照以下思路进行规划和设计。

1)铺垫好前期内容

差分放大电路的前期内容主要从两个方面展开:①先介绍集成运放的特点及比例运算电路，为本部分内容做好知识储备;②提前给学生布置一份大作业“光伏发电现状分析、关键技术及主要应用调研报告”。

2)讲透课堂内容

差分放大运算电路作为集成运算放大器工作在线性区的一种重要应用电路。教师课堂讲授时，通常只对其电路结构、输入输出关系和应用场合进行分析和介绍。学生学完该部分内容后，虽然可以对相关电路结构进行分析，但对差分放大电路结构的突出特点、典型应用往往理解不够深入。为此，笔者在课堂讲授时，深入挖掘差分放大电路对差分信号进行放大的原因，分析差分放大电路提高共模抑制能力的方法。

3)紧密联系实际

针对能源学院的学生，笔者在讲授差分放大运算电路的应用时，选择从光伏并网逆变器中电网电压检测方面介绍差分放大电路的应用。

2 差分放大电路

图1是差分放大电路的电路图，利用基本电路分析法(虚短、虚断)或叠加原理可以推导出输入输出对应关系:

从上式中可以看出该电路可以实现两个输入信号不同权重或相同权重的减法。

图1 差分放大电路

实际上可以实现上式的电路并不只这一种，比例和加法电路的组合也可以实现同样的输出结果。那该电路提出的主要目的是什么?有什么工程应用背景呢?我们可举一个应用实例，桥式测量电路，如图2所示。

图2 桥式测量电路

桥式测量电路作为测量机械应变的典型电路在工程上应用非常广泛。桥式电路由四个电阻应变片构成，其初始电阻值相同，根据串联分压原理，A点和B点的电压都等于电源电压Us的一半，为一对共模信号，此时对应的输出差值信号uo=0。如果把电阻应变片贴到被测构件上，构件受力后由于被测点发生应变，电阻应变片会随之变形使其阻值发生变化，此时A点和B点的电位不再相等，输出差值信号uo不为零。由于桥式电路输出电压信号将与被测构件的应变成线性关系，因此如何将桥式电路的输出差值信号检测出来进而了解被测点发生的应变情况是一个实际工程问题。

差分放大电路就是为解决这类问题而提出的，它的主要应用场合为:对包含共模分量的两个信号差值进行放大。在放大过程中，虽然在输入信号中包含共模分量，但不希望放大共模信号，只希望对差模信号进行放大。这就要求放大该信号的电路具有很强的共模抑制能力。

接下来结合一个具体例子分析在什么情况下差分放大电路的输出只包含差模分量而不包含共模分量，即差分放大电路只放大差模信号而不放大共模信号。

［例］在图1所示电路中，输入信号为一对比较信号，可分解成一对共模信号和一对差模信号的和，即 ui1=uc+ud，ui2=uc－ ud，若 R1=R2，求 R3和 Rf满足什么条件时输出信号中不包含共模分量?

解:将题中输入信号表达式代入式(1)，可得

若使输出信号中不包含共模分量，需要上式中uc前面的系数为零，即

将上式进行变换可得:R1R3=R2Rf，已知条件为R1=R2，则 R3=Rf。因此，当 R1=R2，R3=Rf时，差分放大电路输出信号中不包含共模分量，问题得以解决。将R1=R2，R3=Rf代入式(1)后可得

3 集成运放与光伏发电的有机结合

通过以上分析发现，可以采用图1所示差分放大电路对太阳能光伏发电系统的光伏逆变器并网端口处的电网电压进行采集。如何设计一个性能优良的电路是应用过程中需重点解决的问题。在图1电路中，集成运算放大器是核心，如何选择这一核心元件?可以采用如图3和图4所示PPT向学生讲解集成运放的类型及选型时的注意事项。他们需要通过一系列分析，最终选择TL082作为集成芯片型号。在选择完芯片型号后，需要向学生强调查阅器件手册的重要性。

图3 集成运放的类型PPT

图4 集成运放的选择PPT

在确定集成运放的型号后，接下来最重要的一步是设计集成运放的外围电路，在电路设计过程中需要注意电阻的精度、电阻的击穿电压、消除运放自激震荡所用的去耦电容，采样及反馈环节所用的滤波电路等实际设计注意事项，在实际教学过程中可结合图5中PPT内容进行讲解。

图5 集成运放的外围电路PPT

当最终完成电路设计后，告诉学生，除了采用仿真软件进行电路仿真验证外，通常需要搭建一个具体实验电路，采用示波器等仪器设备进行测量，验证合格后的电路才可以真正在实际电路样机上实现，最终产品可采用贴片形式的元器件以提高电路的功率密度，图6为该部分课堂所用PPT。

图6 电网电压采样电路PPT

总之，在介绍集成运算放大器应用的过程中，对新能源领域中的光伏发电进行介绍，让学生对先进技术和方法有一个大致了解;同时笔者结合自身科研经历将以下科研经验传递给学生:①学会资料搜集和培养信息检索能力;②重视数据手册提供的信息，学会如何快速阅读数据手册并抓住其主要信息;③理论上正确的电路在实际调试过程中还可能会遇到各种问题，学会如何从器件选择、电路布局和高频滤波等方面来提升电路性能;④电路测试和验证方法有多种，一般应遵循先局部后整体、先仿真后实物和先样机后产品的原则进行。

4 结语

本文以如何将集成运算放大电路中的差分放大电路应用到光伏并网发电系统中的电网电压信息采集电路为例，对教学与科研的有机融合进行了思考和探索。利用以上思路指导教学，经过多个学期对能源学院学生的授课情况来看，学生普遍反映既能了解本专业的最新科研动向，又能掌握如何设计一个具体的电路，基本可以达到学以致用，收获很大。教师在备课过程中通过广泛查阅资料以及对电路的深入剖析，对科研工作也有指导作用。

［1］ 秦曾煌.电工学(第七版)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］ 唐介.电工学(少学时，第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］ 唐介.面向21世纪电工电子系列课程教学内容和课程体系改革的研究与实践总结［J］.南京:电气电子教学学报，2001，23(4):10-14.

［4］ 刘凤春，陈希有，牟宪民，李冠林，王林.面向卓越计划的电工学课程教学改革［J］.南京:电气电子教学学报，2011，33(5):10-12.