EWB在电路实验课程中的应用

陆平

摘 要 电路实验是工科院校相关专业开设的一门实践环节课程，专业认证对该课程提出较高的要求。以一个典型的电路实验为例，利用EWB软件进行仿真，并对仿真结果加以分析。还对EWB仿真软件在教学中的优势进行说明。

关键词 电路实验；专业认证；EWB

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）12-0045-03

1 前言

江苏南通大学电气工程学院一直注重实践环节的教学，电工电子实验中心早在2009年就被江苏省教育厅评为省级教学示范中心。为了突出实践环节的重要性，电气工程及其自动化专业将有些课程的课内实验单独设课，电路实验就是一门单独开设的课程。该课程一共十个实验，其中两个是软件实验，要求学生利用EWB软件进行仿真。2015年起，为了迎接电气工程及其自动化专业认证，学院对电路实验的教学提出更高的要求。本文结合EWB软件的特点、专业认证的要求，以及笔者多年来的教学经验，对EWB软件在电路实验中的应用进行探讨。

2 EWB软件简介

EWB软件，是20世纪90年代初推出的EDA软件，用于模拟电路和数字电路的混合仿真，是一款小巧但仿真功能十分强大的软件，可以几乎100%地仿真出真实电路的结果。在众多的电路仿真软件中，EWB是比较容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，对于电子设计工作者来说是个极好的EDA工具。EWB建立在SPICE基础上，具有以下突出特点：

1）采用直观的图形界面创建电路；

2）EWB软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果；

3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法；

4）作为设计工具，EWB软件可以同其他流行的电路分析、设计和制板软件交换数据；

5）EWB软件是一款优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器，可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验。

3 专业认证对该课程的要求

根据电气工程及其自动化专业认证的要求，对毕业要求及指标点进行分解。电路实验支撑其中六个指标点：

1）能运用数学、自然科学、工程基础和电气工程及其自动化专业知识掌握典型复杂电气工程问题的物理本质，并抽象、归纳，理解其局限性，以获得有效结论；

2）能运用数学、自然科学、工程基础和专业知识，识别和判断复杂电气工程问题的关键环节和参数，描述和求解复杂电气工程系统或过程，以获得有效结论；

3）能够基于科学原理并采用科学方法，对电气工程及其自动化专业领域的复杂工程问题设计合理的实验方案；

4）能够基于科学原理并采用科学方法，针对电气工程及其自动化专业领域的复杂工程问题进行数据分析与解释；

5）能够针对电气工程及其自动化专业领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具；

6）能够运用现代工程工具和信息技术工具，对电气工程及其自动化专业领域的复杂工程问题进行预测和模拟，并能够理解其局限性。

课程中的两个软件实验，对以上六个指标点都有支撑作用。比如：可以利用EWB软件，根据实验原理设计相应的电路并进行仿真，得到相关数据，并对仿真结果加以解释。

4 仿真实例

现以其中一个EWB实验“电路的频率特性研究”为例，分析如何用EWB软件进行仿真研究。在正弦稳态情况下，当电路网络中含有电抗元件（电容、电感）时，电路的工作状况将随频率的变动而变动，如图1所示。

为了突出电路的频率特性，常分析输出电压与输入电压之比的频率特性，即电压转移比，它们可写为H（jω）=

式中，ω为信号角频率；|H（jω）|表示电压比的模（或称电压增益）与角频率之间的关系，即幅频响应；φ（ω）表示相位差与角频率之间的关系，即相频响应。两者结合起来可全面表征电路的频率响应。

测试一阶RC低通电路的频率特性 建立电路如图2所示，输入信号取信号源库中的交流电压源，双击图标，将其电压设置为1 V，频率设置为1 kHz；波特仪从仪器库得到。

双击波特仪图标，启动模拟程序，点击波特仪读数游标移动按钮或者直接拖曳读数游标，使游标与曲线交点处垂直坐标的读数非常接近0.707，即-20 dB/十倍频频率点对应的网络函数的模值|H（jω）|，此时交点处水平坐标的读数即为f0的数值。实验测得f0=145.5 kHz。

分别测试0.01f0、0.1f0、0.5f0、5f0、10f0、100f0点所对应的|H（jω）|和φ（jω），如表1所示。

二阶RLC带通滤波 根据要求设计RLC带通滤波电路，并确定一组参数。该电路满足下列要求：

1）电源电压U=1 V；

2）串联谐振时，10 mA≤I0≤30 mA；

3）电容10 nF≤C≤30 nF；

4）谐振频率20 kHz

对该带通滤波电路的要求进行分析，根据电源电压及电流，可以取电路中的R=50 Ω。当U=1 V，如果发生串联谐振，I0=1 V/50 Ω=20 mA，满足设计要求。根据要求3）、4），可取C=20 nF，f0=30 kHz。根据谐振时，计算得到L≈1.407 mH。

根据设计参数，画出仿真电路图，测出如图3所示。

由波特仪测出谐振频率f0=30.04 kHz，如图4所示，与理论值基本一致。

由波特仪还可测出下限截止频率f1=27.305 kHz，上限截止频率f2=32.97 kHz。将电源频率改为谐振频率f0=30.04 kHz，测量此时电容两端的电压UC=5.182 V，测量电路如图5所示。

由测量值f0、f1、f2、UC，以及L、R，可利用三种方法计算该电路的品质因数，分别如下：

由以上计算结果可以看出，利用EWB仿真，三种方法计算得到的品质因数基本相等，谐振频率与理论值也基本相等。

5 结语

由上面的分析可以看出，EWB软件的功能十分强大，无论是验证性实验，还是设计性实验，仿真结果非常接近于理论值。还有采用EWB仿真时，电路参数是可以任意给定的。比如上面的分析中，通过计算得到电感L≈1.407 mH，在后面的仿真研究中，可以直接将电感值设为1.407 mH，如果采用硬件电路来实现，想要找出1.407 mH电感是比较困难的。EWB软件非常小巧，學生可安装在自己的电脑中，便于随时自学。教师也可以在理论教学过程中现场演示这样的仿真实验，使学生有一定的感性认识，提高他们的学习积极性。

参考文献

[1]邱关源.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]吴晓新，堵俊.电路与电子技术实验教程[M].2版.北京：电子工业出版社，2016.

[3]黄浩，贾振红，葛文萍，等.通信工程专业MATLAB教学中微波电路实验的改革与探索[J].中国教育技术装备，2014（6）：105-107.

[4]陈跃华，朱子义，张一建，等.计算机仿真软件EWB在电子电路实验中的应用[J].中国教育技术装备，2011（15）：123-125.