仿真軟件在電工學中輔助教學探討

廖 輝

（石河子大學 理學院，新疆 石河子 832000）

電工學是一門技術基礎課，該課程的特點是內容廣、原理多。在電工學的理論教學過程中，有大量的數(shù)學推理過程，公式的推導比較抽象，不直觀［1］，使學生在聽課的過程中很容易迷失在繁瑣的數(shù)學分析過程之中。而EWB（electronics workbench）軟件恰恰可以快捷搭建電路原理圖，將抽象的規(guī)律和原理以直觀、互動的方式在屏幕上展示給學生。教師在講課的過程中可以很方便地借助實驗進行基本規(guī)律和基本概念的講解，進而消除學生學習過程中的困頓，提高學生的學習興趣。

1 EWB軟件簡介

EWB軟件是迄今為止使用方便、應用廣泛的仿真軟件之一，可以應用于模擬電路、數(shù)字電路的混合仿真［2－4］。EWB 是由加拿大Interactive Image Technologies公司于1985年開發(fā)的電子電路計算機仿真設計軟件，稱為“電子設計工作平臺”或“虛擬電子實驗室”［5］。EWB的內核是SPICE數(shù)／模混合仿真系統(tǒng)，軟件界面簡潔、友好［6］。在EWB內部提供了8 000多個電子元器件模型，在其模型庫中有各種直流、交流電源，多種型號的電容、電阻、電感及變壓器模型等。在EWB的儀器庫中，提供了函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表、示波器、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉換儀等儀器。還提供了14種分析工具、4種掃描分析［7］。

EWB選用的儀器和元器件與實際情況非常相近，相當于一個設備先進、功能完備的大型電子實驗室。在使用EWB過程中，可以按照真實實驗流程進行電路的搭建、測量，就如同在真實實驗室一樣，使用者只需用鼠標在元件庫中選擇實驗所需電子元器件，從儀器庫中選擇測量儀器，按照電路原理圖用鼠標點擊連線，即可方便、快捷地搭建好一個可以運行的實驗電路。激活仿真電源，EWB就會利用嵌入內核SPICE對電路進行模擬運行，電路運行結果可以直觀地顯示在虛擬儀器上［8］。

由于是仿真實驗，使用者不用擔心儀表儀器被損毀，可以放心完成各種實驗電路的分析測量。使用者可以邊選擇、邊測試、邊修改、邊分析，將實驗與理論相對照，在調試、測量中學習，把實驗與理論緊密地結合起來，加深對理論的認識［9］。

2 EWB仿真實驗特點及優(yōu)勢

（1）不受時空限制。

（2）軟件體積小、干擾少、仿真精度高。該軟件大小不到20MB，便于攜帶和安裝。仿真實驗無需考慮周圍真實環(huán)境的影響，其虛擬儀器庫中包含有許多性能很好的虛擬儀器，如數(shù)字萬用表的電流量程為0.0 1 μA—999kA，電壓量程為0.01μV—999kV，雙通道的數(shù)字存儲示波器高達1 000MHz［10］，而這些指標在實際儀器中是難以實現(xiàn)的。高精度的儀器可以進一步降低實驗誤差，提高仿真精度。

（3）仿真實驗直觀，生動。可以將抽象的電工學概念和原理直觀化、形象化，有利于突破難點、深化理解［11］。

（4）仿真實驗安全，低成本。仿真實驗不必直接接觸強電，不用進行元件安裝和錫焊操作，從而避免濺錫傷人、線路短路、觸電等危險，保證實驗的安全。儀器庫所提供的虛擬儀器的圖形與實物相似，測試結果也與實際調試基本相似，既節(jié)省了購買大量元器件和高檔儀器的費用，又避免了儀器損壞和元件消耗，彌補了真實實驗的儀器及經費的不足［10－11］。

（5）EWB非常適合電子電路訓練。可以利用EWB豐富的元件庫和儀器庫搭建起更靈活的實驗電路，仿真電路的實際運行情況，并可以熟悉常用電子儀器測量方法［12］。

3 EWB仿真軟件在電工學教學中的應用舉例

筆者結合電工學中基爾霍夫定律、戴維南定理以及元器件特性的教學內容，說明在電工學教學過程中使用EWB軟件的優(yōu)勢和好處。

3.1 利用EWB軟件輔助理解基爾霍夫定律

基爾霍夫定律包含兩大定律，即基爾霍夫第一定律和基爾霍夫第二定律。基爾霍夫第一定律也稱為基爾霍夫電流定律（簡稱KCL），其內容是：對電路中的任一結點，流入此結點的電流等于從該結點流出的電流。基爾霍夫第二定律也稱為基爾霍夫電壓定律（簡稱KVL），其內容是：任一回路內各段支路電壓的代數(shù)和為零。

在理論課上，由于原理圖示畢竟是靜態(tài)的，在講授時只能借助于符號、箭頭及數(shù)學公式，導致學生對基爾霍夫定律不能深刻理解和靈活掌握。而利用EWB軟件在課堂上進行實時仿真演示，可以幫助學生更深入地理解這2個定律，提高學生學習電工學的興趣。

首先，打開EWB軟件，進入元件庫并選擇2個直流電源、5個電阻，進入儀器庫選擇多個電流表和電壓表。用鼠標點擊連線并修改相應元器件參數(shù)即可快速建立完成電路圖（見圖1）。

圖1 基爾霍夫定律仿真實驗電路圖

檢查電路連線，在連線沒有任何問題的情況下，點擊激活仿真電源按鈕，EWB就會利用嵌入內核SPICE對電路進行模擬運行，電路運行結果可以直觀顯示在電流表和電壓表上。

由運行仿真結果可知：電流表A1的讀數(shù)為2.436mA，電流表 A2的讀數(shù)為5.913mA，電流表A3的讀數(shù)為2.434mA，電流表 A4的讀數(shù)為3.479mA，電流表A5的讀數(shù)為3.480mA。根據(jù)電路圖，針對圖中的每個結點及對應電流表的接線方向，可以很輕松地驗證基爾霍夫第一定律。

運行結果圖還顯示：電壓表V1、V2、V3位于電路圖左邊的小回路，而且電壓表V1的讀數(shù)為2.436V，電壓表V2的讀數(shù)為5.913V，電壓表V3的讀數(shù)為3.652V，該回路電源為12V。按照圖中電壓表的連線方向，可以很容易驗證基爾霍夫第二定律。

圖1所示電路圖包含3個回路，其他2個回路驗證方法相同。在課堂教學過程中，可以引導學生結合基爾霍夫定律的內容自己進行分析驗證，還可以很靈活地更改電路參數(shù)及電路結構，動態(tài)地讓學生理解基爾霍夫定律，加深學生對該定律的理解和掌握。

3.2 戴維南定理的軟件輔助教學

戴維南定理是簡化網絡分析的一個重要定理，該定理特別適合于求解復雜電路中某一支路中的電流和功率問題。該定理指出：一個有源二端電阻網絡可以用一個等效電壓源來代替，等效電壓源的電動勢等于該網絡的開路電壓，等效電壓源的內阻等于該網絡的輸入電阻［1］。

學習戴維南定理需要有一定的邏輯分析能力和良好的數(shù)學基礎，尤其是分析復雜電路某一支路電流的情況。在用到等效電壓源時，需要建立等效電路圖，針對等效電路圖建立數(shù)學方程，學生往往在等效過程中迷失在繁瑣的數(shù)學分析和求解過程中。若利用EWB軟件快速建立等效電路圖，自動分析、計算等效電壓源及其等效內阻，既可以避免繁瑣的數(shù)學分析，領略該定理的精髓，也可以提高教學效率和效果。

可按照圖2建立起戴維南定理仿真實驗電路原理圖。如果只想了解通過R3電阻的電流大小，按照戴維南定理，可以將除R3電阻以外的電路看作是一個有源二端網絡。在演示時，將開關KC斷開，即可構成一個有源二端網絡。激活仿真電源開關，通過萬用表可以直接測量出等效電壓源電壓為7.5V。

按照戴維南定理，在尋找等效電阻時，需將該有源二端網絡中的電壓源短路，電流源短路。在實驗演示時，可以直接將開關KA撥至左邊，開關KB撥至右邊即可。從萬用表中測量出等效電阻值為749.4Ω。這樣，利用戴維南定理就可以將一個復雜的電路網絡簡化成簡單的等效電壓源和等效電阻構成的簡單電路（見圖3），進而得到待求電阻R3上的電流大小。

圖2 戴維南定理仿真實驗

圖3 戴維南定理電路簡化

3.3 提高負載功率因數(shù)的方法研究探討

負載的功率因數(shù)低，會浪費大量電能，使發(fā)電設備得不到充分的利用。功率因數(shù)低的根本原因是電感性負載的存在［1］。在講授功率因數(shù)這一課程內容的時候，可以利用EWB軟件快速建立電路原理圖，并進行仿真動態(tài)顯示，通過更改元器件參數(shù)，體會并尋找提高功率因數(shù)的方法。

以日光燈電路為例做提高負載功率因數(shù)的實驗，利用EWB建立電路原理圖（見圖4）。為了方便于演示，本實驗電路中的參數(shù)設置如下：電源電壓220V，50Hz，日光燈燈管用一個100Ω的電阻等效，鎮(zhèn)流器阻值為100Ω，電感為1H。開關KA、開關KB和開關KC分別可以控制電路中的電容大小。交流電流表A1、A2和A3分別測量并顯示日光燈支路、電容支路和總電路電流的大小。

激活仿真電源后，先將開關KA、KB、KC斷開。仿真結果顯示：電流表A1和A3測量值為585.4mA。當開關KA閉合后，電流表A1示數(shù)沒有發(fā)生變化，A2示數(shù)為70.02mA，A3示數(shù)為527.4mA。當開關KA、KB、KC逐次都閉合后，發(fā)現(xiàn)電流表A1示數(shù)始終為585.4mA，沒有發(fā)生任何變化，A2示數(shù)為210.1mA，A3示數(shù)為422.6mA。

圖4 提高功率因數(shù)電路圖

演示結果顯示，總電流（A3所示）隨著并入的電容增加而減小，但是日光燈燈管支路電流始終沒有發(fā)生任何變化。因視在功率S＝UI，U 不變，始終為220V，但是總電流卻逐漸減小了。這說明視在功率也相應減小，但是，日光燈支路的電流卻沒有發(fā)生任何變化，也就是說其消耗的有功功率不變。這說明，在保證日光燈正常工作的前提下，并入適當?shù)碾娙荩梢蕴岣哓撦d的功率因數(shù)。

利用EWB軟件，可以實現(xiàn)師生互動，驗證學生的想法，讓學生自己進行電路分析，從中理解功率因數(shù)這一重要概念。與此同時，通過調節(jié)電路元器件參數(shù)，使得學生直觀、形象地理解并入適當?shù)碾娙菔强梢蕴岣哓撦d的功率因數(shù)的。此外，還可以讓學生通過實驗，自主探究并入電容的最佳值是多少，如何進行理論計算等一些問題。結合EWB軟件，可以克服傳統(tǒng)電工學教學中的困難，極大地調動學生自主學習、自主探究的動力和興趣。

4 結束語

本文探討了在電工學課程教學中如何利用仿真實驗快捷、高效地輔助理論課教學。通過對3個實驗的討論，展現(xiàn)了利用EWB軟件輔助教學的優(yōu)點：可以方便地將實驗室搬到實際的理論課堂上，在課堂上易于動態(tài)顯示、互動仿真，靈活方便地修改電路，加深學生對電路結構和原理的理解，進一步提高學生的學習興趣，提高課堂教學的效率和效果。

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