陸平

摘 要 電路實驗是工科院校相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門實踐環(huán)節(jié)課程，專業(yè)認證對該課程提出較高的要求。以一個典型的電路實驗為例，利用EWB軟件進行仿真，并對仿真結(jié)果加以分析。還對EWB仿真軟件在教學中的優(yōu)勢進行說明。

關(guān)鍵詞 電路實驗；專業(yè)認證；EWB

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）12-0045-03

1 前言

江蘇南通大學電氣工程學院一直注重實踐環(huán)節(jié)的教學，電工電子實驗中心早在2009年就被江蘇省教育廳評為省級教學示范中心。為了突出實踐環(huán)節(jié)的重要性，電氣工程及其自動化專業(yè)將有些課程的課內(nèi)實驗單獨設(shè)課，電路實驗就是一門單獨開設(shè)的課程。該課程一共十個實驗，其中兩個是軟件實驗，要求學生利用EWB軟件進行仿真。2015年起，為了迎接電氣工程及其自動化專業(yè)認證，學院對電路實驗的教學提出更高的要求。本文結(jié)合EWB軟件的特點、專業(yè)認證的要求，以及筆者多年來的教學經(jīng)驗，對EWB軟件在電路實驗中的應用進行探討。

2 EWB軟件簡介

EWB軟件，是20世紀90年代初推出的EDA軟件，用于模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，是一款小巧但仿真功能十分強大的軟件，可以幾乎100%地仿真出真實電路的結(jié)果。在眾多的電路仿真軟件中，EWB是比較容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個窗口內(nèi)，對于電子設(shè)計工作者來說是個極好的EDA工具。EWB建立在SPICE基礎(chǔ)上，具有以下突出特點：

1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路；

2）EWB軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結(jié)果；

3）EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法；

4）作為設(shè)計工具，EWB軟件可以同其他流行的電路分析、設(shè)計和制板軟件交換數(shù)據(jù)；

5）EWB軟件是一款優(yōu)秀的電子技術(shù)訓練工具，利用它提供的虛擬儀器，可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗。

3 專業(yè)認證對該課程的要求

根據(jù)電氣工程及其自動化專業(yè)認證的要求，對畢業(yè)要求及指標點進行分解。電路實驗支撐其中六個指標點：

1）能運用數(shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和電氣工程及其自動化專業(yè)知識掌握典型復雜電氣工程問題的物理本質(zhì)，并抽象、歸納，理解其局限性，以獲得有效結(jié)論；

2）能運用數(shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，識別和判斷復雜電氣工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，描述和求解復雜電氣工程系統(tǒng)或過程，以獲得有效結(jié)論；

3）能夠基于科學原理并采用科學方法，對電氣工程及其自動化專業(yè)領(lǐng)域的復雜工程問題設(shè)計合理的實驗方案；

4）能夠基于科學原理并采用科學方法，針對電氣工程及其自動化專業(yè)領(lǐng)域的復雜工程問題進行數(shù)據(jù)分析與解釋；

5）能夠針對電氣工程及其自動化專業(yè)領(lǐng)域的復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具；

6）能夠運用現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對電氣工程及其自動化專業(yè)領(lǐng)域的復雜工程問題進行預測和模擬，并能夠理解其局限性。

課程中的兩個軟件實驗，對以上六個指標點都有支撐作用。比如：可以利用EWB軟件，根據(jù)實驗原理設(shè)計相應的電路并進行仿真，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并對仿真結(jié)果加以解釋。

4 仿真實例

現(xiàn)以其中一個EWB實驗“電路的頻率特性研究”為例，分析如何用EWB軟件進行仿真研究。在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，當電路網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件（電容、電感）時，電路的工作狀況將隨頻率的變動而變動，如圖1所示。

為了突出電路的頻率特性，常分析輸出電壓與輸入電壓之比的頻率特性，即電壓轉(zhuǎn)移比，它們可寫為H（jω）=

式中，ω為信號角頻率；|H（jω）|表示電壓比的模（或稱電壓增益）與角頻率之間的關(guān)系，即幅頻響應；φ（ω）表示相位差與角頻率之間的關(guān)系，即相頻響應。兩者結(jié)合起來可全面表征電路的頻率響應。

測試一階RC低通電路的頻率特性 建立電路如圖2所示，輸入信號取信號源庫中的交流電壓源，雙擊圖標，將其電壓設(shè)置為1 V，頻率設(shè)置為1 kHz；波特儀從儀器庫得到。

雙擊波特儀圖標，啟動模擬程序，點擊波特儀讀數(shù)游標移動按鈕或者直接拖曳讀數(shù)游標，使游標與曲線交點處垂直坐標的讀數(shù)非常接近0.707，即-20 dB/十倍頻頻率點對應的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的模值|H（jω）|，此時交點處水平坐標的讀數(shù)即為f0的數(shù)值。實驗測得f0=145.5 kHz。

分別測試0.01f0、0.1f0、0.5f0、5f0、10f0、100f0點所對應的|H（jω）|和φ（jω），如表1所示。

二階RLC帶通濾波 根據(jù)要求設(shè)計RLC帶通濾波電路，并確定一組參數(shù)。該電路滿足下列要求：

1）電源電壓U=1 V；

2）串聯(lián)諧振時，10 mA≤I0≤30 mA；

3）電容10 nF≤C≤30 nF；

4）諧振頻率20 kHz

對該帶通濾波電路的要求進行分析，根據(jù)電源電壓及電流，可以取電路中的R=50 Ω。當U=1 V，如果發(fā)生串聯(lián)諧振，I0=1 V/50 Ω=20 mA，滿足設(shè)計要求。根據(jù)要求3）、4），可取C=20 nF，f0=30 kHz。根據(jù)諧振時，計算得到L≈1.407 mH。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，畫出仿真電路圖，測出如圖3所示。

由波特儀測出諧振頻率f0=30.04 kHz，如圖4所示，與理論值基本一致。

由波特儀還可測出下限截止頻率f1=27.305 kHz，上限截止頻率f2=32.97 kHz。將電源頻率改為諧振頻率f0=30.04 kHz，測量此時電容兩端的電壓UC=5.182 V，測量電路如圖5所示。

由測量值f0、f1、f2、UC，以及L、R，可利用三種方法計算該電路的品質(zhì)因數(shù)，分別如下：

由以上計算結(jié)果可以看出，利用EWB仿真，三種方法計算得到的品質(zhì)因數(shù)基本相等，諧振頻率與理論值也基本相等。

5 結(jié)語

由上面的分析可以看出，EWB軟件的功能十分強大，無論是驗證性實驗，還是設(shè)計性實驗，仿真結(jié)果非常接近于理論值。還有采用EWB仿真時，電路參數(shù)是可以任意給定的。比如上面的分析中，通過計算得到電感L≈1.407 mH，在后面的仿真研究中，可以直接將電感值設(shè)為1.407 mH，如果采用硬件電路來實現(xiàn)，想要找出1.407 mH電感是比較困難的。EWB軟件非常小巧，學生可安裝在自己的電腦中，便于隨時自學。教師也可以在理論教學過程中現(xiàn)場演示這樣的仿真實驗，使學生有一定的感性認識，提高他們的學習積極性。

參考文獻

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