劉桂花，王 衛(wèi)，張繼紅，姜三勇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

“電工學(xué)”是一門為工科院校電類和非電類專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，其代表性教材有文獻(xiàn)［1］和［2］等。這些教材的特點(diǎn)是重視理論的學(xué)術(shù)性與系統(tǒng)性，結(jié)構(gòu)與邏輯的嚴(yán)密性。該課程的教學(xué)重點(diǎn)不在于讓學(xué)生掌握很深的理論，而在于培養(yǎng)學(xué)生將電工學(xué)的基本知識(shí)應(yīng)用于各自專業(yè)，繼而創(chuàng)新性地發(fā)展各自專業(yè)的能力。因此，在課程教學(xué)過(guò)程中既要為學(xué)生搭建完整且可塑的知識(shí)框架，又要從工程應(yīng)用性和專業(yè)需求出發(fā)，建立理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的雙向互動(dòng)體系［3，4］。

本文從高校教師角度出發(fā)，對(duì)“電工學(xué)”集成運(yùn)算放大電路中的差分放大電路和科研中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓信息采集技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，探索如何將教學(xué)與科研進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

1 教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

教師講授“電工學(xué)”課程之前，通常要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)，規(guī)劃設(shè)計(jì)的好壞將直接影響教學(xué)質(zhì)量和效果?！半姽W(xué)”集成運(yùn)算放大電路中的差分放大電路在實(shí)際中應(yīng)用非常廣泛，是學(xué)生需要重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。筆者對(duì)于該部分內(nèi)容按照以下思路進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

1)鋪墊好前期內(nèi)容

差分放大電路的前期內(nèi)容主要從兩個(gè)方面展開(kāi):①先介紹集成運(yùn)放的特點(diǎn)及比例運(yùn)算電路，為本部分內(nèi)容做好知識(shí)儲(chǔ)備;②提前給學(xué)生布置一份大作業(yè)“光伏發(fā)電現(xiàn)狀分析、關(guān)鍵技術(shù)及主要應(yīng)用調(diào)研報(bào)告”。

2)講透課堂內(nèi)容

差分放大運(yùn)算電路作為集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的一種重要應(yīng)用電路。教師課堂講授時(shí)，通常只對(duì)其電路結(jié)構(gòu)、輸入輸出關(guān)系和應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行分析和介紹。學(xué)生學(xué)完該部分內(nèi)容后，雖然可以對(duì)相關(guān)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但對(duì)差分放大電路結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)、典型應(yīng)用往往理解不夠深入。為此，筆者在課堂講授時(shí)，深入挖掘差分放大電路對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大的原因，分析差分放大電路提高共模抑制能力的方法。

3)緊密聯(lián)系實(shí)際

針對(duì)能源學(xué)院的學(xué)生，筆者在講授差分放大運(yùn)算電路的應(yīng)用時(shí)，選擇從光伏并網(wǎng)逆變器中電網(wǎng)電壓檢測(cè)方面介紹差分放大電路的應(yīng)用。

2 差分放大電路

圖1是差分放大電路的電路圖，利用基本電路分析法(虛短、虛斷)或疊加原理可以推導(dǎo)出輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系:

從上式中可以看出該電路可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸入信號(hào)不同權(quán)重或相同權(quán)重的減法。

圖1 差分放大電路

實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)上式的電路并不只這一種，比例和加法電路的組合也可以實(shí)現(xiàn)同樣的輸出結(jié)果。那該電路提出的主要目的是什么?有什么工程應(yīng)用背景呢?我們可舉一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，橋式測(cè)量電路，如圖2所示。

圖2 橋式測(cè)量電路

橋式測(cè)量電路作為測(cè)量機(jī)械應(yīng)變的典型電路在工程上應(yīng)用非常廣泛。橋式電路由四個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成，其初始電阻值相同，根據(jù)串聯(lián)分壓原理，A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓都等于電源電壓Us的一半，為一對(duì)共模信號(hào)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出差值信號(hào)uo=0。如果把電阻應(yīng)變片貼到被測(cè)構(gòu)件上，構(gòu)件受力后由于被測(cè)點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片會(huì)隨之變形使其阻值發(fā)生變化，此時(shí)A點(diǎn)和B點(diǎn)的電位不再相等，輸出差值信號(hào)uo不為零。由于橋式電路輸出電壓信號(hào)將與被測(cè)構(gòu)件的應(yīng)變成線性關(guān)系，因此如何將橋式電路的輸出差值信號(hào)檢測(cè)出來(lái)進(jìn)而了解被測(cè)點(diǎn)發(fā)生的應(yīng)變情況是一個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題。

差分放大電路就是為解決這類問(wèn)題而提出的，它的主要應(yīng)用場(chǎng)合為:對(duì)包含共模分量的兩個(gè)信號(hào)差值進(jìn)行放大。在放大過(guò)程中，雖然在輸入信號(hào)中包含共模分量，但不希望放大共模信號(hào)，只希望對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大。這就要求放大該信號(hào)的電路具有很強(qiáng)的共模抑制能力。

接下來(lái)結(jié)合一個(gè)具體例子分析在什么情況下差分放大電路的輸出只包含差模分量而不包含共模分量，即差分放大電路只放大差模信號(hào)而不放大共模信號(hào)。

［例］在圖1所示電路中，輸入信號(hào)為一對(duì)比較信號(hào)，可分解成一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)的和，即 ui1=uc+ud，ui2=uc－ ud，若 R1=R2，求 R3和 Rf滿足什么條件時(shí)輸出信號(hào)中不包含共模分量?

解:將題中輸入信號(hào)表達(dá)式代入式(1)，可得

若使輸出信號(hào)中不包含共模分量，需要上式中uc前面的系數(shù)為零，即

將上式進(jìn)行變換可得:R1R3=R2Rf，已知條件為R1=R2，則 R3=Rf。因此，當(dāng) R1=R2，R3=Rf時(shí)，差分放大電路輸出信號(hào)中不包含共模分量，問(wèn)題得以解決。將R1=R2，R3=Rf代入式(1)后可得

3 集成運(yùn)放與光伏發(fā)電的有機(jī)結(jié)合

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，可以采用圖1所示差分放大電路對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏逆變器并網(wǎng)端口處的電網(wǎng)電壓進(jìn)行采集。如何設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的電路是應(yīng)用過(guò)程中需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。在圖1電路中，集成運(yùn)算放大器是核心，如何選擇這一核心元件?可以采用如圖3和圖4所示PPT向?qū)W生講解集成運(yùn)放的類型及選型時(shí)的注意事項(xiàng)。他們需要通過(guò)一系列分析，最終選擇TL082作為集成芯片型號(hào)。在選擇完芯片型號(hào)后，需要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)查閱器件手冊(cè)的重要性。

圖3 集成運(yùn)放的類型PPT

圖4 集成運(yùn)放的選擇PPT

在確定集成運(yùn)放的型號(hào)后，接下來(lái)最重要的一步是設(shè)計(jì)集成運(yùn)放的外圍電路，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意電阻的精度、電阻的擊穿電壓、消除運(yùn)放自激震蕩所用的去耦電容，采樣及反饋環(huán)節(jié)所用的濾波電路等實(shí)際設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中可結(jié)合圖5中PPT內(nèi)容進(jìn)行講解。

圖5 集成運(yùn)放的外圍電路PPT

當(dāng)最終完成電路設(shè)計(jì)后，告訴學(xué)生，除了采用仿真軟件進(jìn)行電路仿真驗(yàn)證外，通常需要搭建一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)電路，采用示波器等儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證合格后的電路才可以真正在實(shí)際電路樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)，最終產(chǎn)品可采用貼片形式的元器件以提高電路的功率密度，圖6為該部分課堂所用PPT。

圖6 電網(wǎng)電壓采樣電路PPT

總之，在介紹集成運(yùn)算放大器應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)新能源領(lǐng)域中的光伏發(fā)電進(jìn)行介紹，讓學(xué)生對(duì)先進(jìn)技術(shù)和方法有一個(gè)大致了解;同時(shí)筆者結(jié)合自身科研經(jīng)歷將以下科研經(jīng)驗(yàn)傳遞給學(xué)生:①學(xué)會(huì)資料搜集和培養(yǎng)信息檢索能力;②重視數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的信息，學(xué)會(huì)如何快速閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)并抓住其主要信息;③理論上正確的電路在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中還可能會(huì)遇到各種問(wèn)題，學(xué)會(huì)如何從器件選擇、電路布局和高頻濾波等方面來(lái)提升電路性能;④電路測(cè)試和驗(yàn)證方法有多種，一般應(yīng)遵循先局部后整體、先仿真后實(shí)物和先樣機(jī)后產(chǎn)品的原則進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以如何將集成運(yùn)算放大電路中的差分放大電路應(yīng)用到光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的電網(wǎng)電壓信息采集電路為例，對(duì)教學(xué)與科研的有機(jī)融合進(jìn)行了思考和探索。利用以上思路指導(dǎo)教學(xué)，經(jīng)過(guò)多個(gè)學(xué)期對(duì)能源學(xué)院學(xué)生的授課情況來(lái)看，學(xué)生普遍反映既能了解本專業(yè)的最新科研動(dòng)向，又能掌握如何設(shè)計(jì)一個(gè)具體的電路，基本可以達(dá)到學(xué)以致用，收獲很大。教師在備課過(guò)程中通過(guò)廣泛查閱資料以及對(duì)電路的深入剖析，對(duì)科研工作也有指導(dǎo)作用。

［1］ 秦曾煌.電工學(xué)(第七版)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］ 唐介.電工學(xué)(少學(xué)時(shí)，第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］ 唐介.面向21世紀(jì)電工電子系列課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的研究與實(shí)踐總結(jié)［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(4):10-14.

［4］ 劉鳳春，陳希有，牟憲民，李冠林，王林.面向卓越計(jì)劃的電工學(xué)課程教學(xué)改革［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):10-12.