仿真實驗在“電路”課程理論教學中的應用

任兆香，谷海青，張 倩，李曉飛

（天津理工大學 自動化學院，天津 300384）

“電路”是高等工科院校電子與電氣信息類專業重要的基礎課［1］，它在整個電子與電氣信息類專業的人才培養方案和課程體系中起著承前啟后的關鍵作用。該課程的特點是既有較抽象的理論分析，又有較具體的實際應用，可以說，只要涉及電能的產生、傳輸和應用的地方，就會用到電路理論。該課程理論嚴密、物理概念多、邏輯性強，與工程技術及生活實際聯系緊密，常常需要就宏觀現象進行微觀解釋。它不但要求學生掌握電路的基本原理和計算方法，更重要的是培養學生在電路分析、設計和實際應用方面的能力。

1 仿真實驗在電路課程理論教學中的作用

在以往的教學模式中，電路課程的理論教學與實驗教學是分開進行的。理論教學較多地依賴于教師的講解，大量的理論闡述、例題演算、數學推導，容易使學生陷入單調、枯燥的學習境地，基礎較差、理解能力欠佳的學生難以跟上教學進度。時間一長，學生的學習積極性降低了，有的學生甚至失去了學習興趣和信心。這種狀況應引起任課教師的重視并努力提高教學效果。將仿真實驗引入課堂教學是一個有效的方法［2］。

隨著市場經濟的發展，社會對工程技術人員分析問題、解決問題的能力，綜合運用基礎理論的能力和工具軟件應用能力的要求愈來愈高，要求技術人員既要掌握扎實的理論知識，也要能熟練運用計算機分析與設計軟件工具。以計算機輔助分析（computer aided analysis，CAA）和計算機輔助設計（computer aided design，CAD）為基礎的電子設計自動化（electric design automation，EDA）是當代電子電路及專用集成電路設計中不可缺少的重要技術手段［3］。將計算機仿真軟件引入電路課程教學，使理論教學與虛擬仿真實驗緊密結合，能夠使教學知識點更加容易理解、抽象的知識變得更加直觀。學生在學習專業知識的同時也學習工具軟件的使用方法，能更好地適應社會需要。

仿真實驗利用了計算機人機交互、圖形動畫、高速運算、海量存儲以及智能化功能，不受時間、地點的限制，而且可以設置故障狀態和極限情境，不用擔心元器件、實驗儀器的損壞，因此可以極大地解放學生思想，有利于創新思維的形成。例如，對三相電路的仿真，可以分析在對稱和不對稱、星接和角接以及不同性質的負載情況下，相線電壓、相線電流的幅值與相位的關系，而且可以設置某一相開路而其余兩相負載對稱、有中線和無中線等工作情況，分析全面、透徹，而且不必擔心發生強電觸電等危及人身安全的事故。仿真實驗與實驗室進行的硬件實驗具有相互補充的作用［4］。

2 用于電路課程理論教學的仿真軟件

電子電路的計算機仿真技術發展迅速，OrCAD、Tina Pro、PSPICE、Multism、LabVIEW、ProtelDXP等電路仿真軟件不斷升級換代，功能越來越強大，實現了圖形電路錄入、層次化管理、圖形輸出和數值輸出、線路板繪制等功能，在應用中它們有許多共同的特點。

PSPICE是許多高校和企業進行電路仿真分析的理想軟件之一。該軟件具有強大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，仿真快速、準確且具有良好的人機交互環境，操作方便、易學易用。該軟件的用途非常廣泛，不僅可用于電路分析和優化設計，還可用于高校電子線路、電路、信號與系統等課程的計算機輔助教學。與印刷線路板設計軟件配合使用，可以實現電子設計自動化。

PSPICE的這些特點使得它受到國內外廣大電子設計工作者、科研人員和高校師生的歡迎。在大學里，它是工科類學生必會的電路分析與設計工具；在生產企業中，它是產品從設計、試驗到定型過程中不可缺少的設計工具。世界各國的半導體元件生產企業為它提供的上萬種模擬和數字元件組成了元件庫，使PSPICE軟件的仿真更可信、更真實。PSPICE軟件幾乎完全取代了電路實驗中的元件、面包板、信號源、示波器和萬用表。有了PSPICE軟件就相當于有了電路和電子學模擬實驗室［5］。

PSPICE可用于模擬電路、數字電路及模數混合電路的分析和電路優化設計，其分析功能體現在以下幾方面：（1）直流分析，包括直流工作點分析、直流小信號傳輸函數分析、直流掃描分析和直流小信號靈敏度分析；（2）交流小信號分析，包括交流頻響特性分析和交流噪聲分析；（3）瞬態分析，包括時域響應和傅里葉分析；（4）溫度特性分析；（5）蒙特卡羅分析（最壞情況分析）；（6）參數掃描分析。

利用PSPICE的電路分析功能，可以測試電路的各項性能指標，測試電路在高溫、高壓等極端條件下的承受能力。PSPICE能提供多種觀測標識符，可以觀測電路圖中任意點、任何變量以及各種函數表達式的波形和數據，可以對電路進行優化設計，將多個設計方案進行比較，在電路方案的選型、分析、優化設計和最終確定的過程中不涉及任何硬件和紙筆，不僅能節省開支，并且能大大縮短設計周期，提高設計精度［6］。

基于以上優點，筆者在電路理論教學中，引入PSPICE進行仿真分析。

3 仿真實驗在電路課程理論教學中的應用

在教學中應用PSPICE軟件，可以對各類電路進行仿真分析，如元件性質、電路定理、瞬態過程、正弦穩態電路、互感電路、頻率特性、三相電路、非正弦周期電路等。教學課件和PSPICE輔助分析軟件一同安裝在電腦里，教師備課時預先選好電路或例題，做好電路圖形錄入、符號參數和分析類型設置、Probe窗口曲線輸出調試等項工作［7］，講課時配合理論教學內容適時切換到仿真軟件。

例如：在PSPICE中繪出一階動態電路如圖1所示，t＝1s時閉合開關S，分別在uC1（0－）＝4V 和uC1（0－）＝20V的情況下求電容電流、電壓及電流源發出的功率［8］。

圖1 在PSPICE中輸入一階動態電路

從圖1可知，本例是求直流激勵下一階電路的全響應，可以應用PSPICE的時域掃描功能求解動態電路的過渡過程，初始值用電容參數IC設置。

當uC1（0－）＝4V時，電容電壓初值設置為IC＝4 V，仿真參數設置 Maximum step為10ms，因為電路的時間常數τ＝R1C1＝2s，所以從零時刻開始，總的分析時間設為12s。

電容電流和電壓波形如圖2所示，電容電壓由初值4V按指數規律單調增加到穩定值16V，電容電流在換路時由0突變到最大值5.970 1A，之后按指數規律衰減至0。電容電流始終為正，電壓升高，這恰是電容充電的過程。

再看電流源的功率如圖3所示，由于PSPICE默認元件的電壓是由首結點指向末結點，并且電流與電壓取關聯參考方向。圖1中的電流源電壓的參考方向下端為正，上端為負，這樣計算出來的功率都表示元件吸收的功率，圖3中電流源的功率為負，說明它實際發出功率［9］。

圖2 uC1（0＿）＝4V時電容電壓及對應電流波形

圖3 uC1（0＿）＝4V時電流源吸收的功率

在開關閉合前，電流源吸收功率為P＝UI＝（－16）×8＝－128W，即發出128W，全部被電阻消耗。開關閉合瞬間，因為電容電壓不能突變，且電容和電流源并聯，所以電流源電壓跳變到4V，吸收功率為P＝UI＝（－4）×8＝－32W，即發出32W，這時流過電阻的電流減少，所以雖然電源在為電容充電，但電阻消耗的能量比充電前要少。在持續充電過程中，電容電壓升高，電阻消耗的能量就增加，電源發出的功率也在增加。當充電過程結束后，電容相當于開路，電流源的電流全部流過電阻，消耗的功率又達到最大值128W。

在當uC1（0－）＝20V情況下，電容電壓初值設置為IC＝20V，仿真參數設置不變，輸出波形如圖4所示。圖4中電容電壓初值為20V，按指數規律下降到穩態值16V。電容電流始終是負值。這些都說明過渡過程中電容在向外釋放能量，正是電容的放電過程。且由圖5電流源吸收的功率曲線可知，在電容釋放能量的過程中，電流源發出的功率也比初始狀態要多。這是因為開關閉合前電阻兩端電壓為16V，開關閉合后，uC1（0＋）＝uC1（0－）＝20V，電流源、電阻和電容并聯，過渡過程中電阻電壓等于電容電壓，高于電阻電壓初始值16V，所以電阻吸收的功率增加了，導致電源發出的功率增加。

圖4 uC1（0＿）＝20V時電容電壓及對應電流波形

圖5 uC1（0＿）＝20V時電流源吸收的功率

以上對一階RC電路充放電過程的分析，如同將虛擬實驗室搬到理論教學課堂。在PSPICE的圖形后處理器中，利用波形跟蹤命令（Add Trace）能夠察看各個變量的波形，能夠同時顯示多個曲線窗口，也能夠在同一幅圖中顯示數值范圍懸殊的幾條曲線，便于進行對比。使用“光標定位”功能，可以精確讀出曲線上各點的坐標，并且可以隨堂改變電路參數以及初始值、穩態值等，就像實驗室里的示波器一樣，學生有身臨其境的感覺［10］。例如改變R、C值，觀察過渡過程的長短及曲線變化趨勢，理解各種參數改變對電路的影響。

仿真分析與理論教學相結合，能讓抽象的講解具體化，進行接近實際電路的分析，吸引學生的注意，帶動學生觀察現象、發現問題、總結規律，使學生感覺到理論知識與實踐相聯系不脫節，提高教學效果［11］。

4 結束語

在電路課程理論教學中，仿真實驗作為一種展示性的輔助教學手段，便于教師解釋一些復雜的物理過程，強調概念、原理及結論的應用。仿真軟件逼真的界面、即時性的人機交互，使學生產生身臨真實實驗環境的感受和體驗，對于培養學生理論聯系實際的工程觀念，提高分析問題、解決問題的能力和創新意識有重要的作用［12］。

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