郝 騫，李曉明，楊 風(fēng)，劉琪芳

（1.中北大學(xué) 國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太原030051；2.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原030024；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030801）

0 引言

“電工學(xué)”是一門面向非電類專業(yè)學(xué)生的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容既包括電路理論、磁路分析、電子技術(shù)等偏理論性知識(shí)，又包括電機(jī)學(xué)、可編程控制器（及繼電接觸器控制系統(tǒng)）、電工測(cè)量等偏實(shí)踐性部分；具有知識(shí)面寬，實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)［1］。EDA是Electronic Design Automation，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。EDA技術(shù)是指使用EDA工具軟件，進(jìn)行電路電子設(shè)計(jì)的一種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。EDA技術(shù)具有花費(fèi)少、效率高、周期短、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。EDA工具軟件種類較多，這里以與電工學(xué)教學(xué)緊密結(jié)合的Pspice、Multisim和LabVIEW這三種軟件為例，通過實(shí)例展示它們?cè)陔姽W(xué)教學(xué)中的有效應(yīng)用，旨在介紹如何加強(qiáng)EDA技術(shù)在電工學(xué)教學(xué)過程中的應(yīng)用，達(dá)到進(jìn)一步促進(jìn)電工學(xué)教學(xué)改革的目的。

1 EDA技術(shù)與電工學(xué)課程的融合

隨著計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，將EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)思想真正融合到電工學(xué)課程的理論、實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新實(shí)踐的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，既全面提高了電工學(xué)課程的教學(xué)效果，又傳授了電路電子設(shè)計(jì)的新理念和新方法，使得電工學(xué)教學(xué)和EDA技術(shù)教學(xué)相得益彰。

1.1 理論教學(xué)的融合

Cadence公司的Pspice軟件，是世界上應(yīng)用最廣的計(jì)算機(jī)仿真軟件之一，Pspice軟件集成了電路原理圖繪制、印制電路板設(shè)計(jì)、數(shù)字／模擬電路仿真、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等功能，它可以對(duì)眾多元器件構(gòu)成的電路進(jìn)行直流分析、交流小信號(hào)分析、瞬態(tài)分析和蒙特卡羅（Monte Carlo）分析及最壞情況（Worst Case）分析。例如，利用Pspice軟件的直流分析功能，對(duì)直流電路進(jìn)行分析。如圖1所示，在0～20范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)電壓源的源電壓，觀察負(fù)載電阻的電壓變化。畫好電路圖，設(shè)置仿真類型為DC Sweep直流掃描分析，執(zhí)行Analysis→Simulate命令或單擊圖標(biāo)，調(diào)用PspeceA／D程序?qū)Ξ?dāng)前電路仿真計(jì)算。在波形顯示模塊Probe環(huán)境下得到了負(fù)載R6的電壓與電壓源V2的關(guān)系如圖2所示。

圖1 直流電流電路

圖2 負(fù)載R6的電壓與電壓源V2的關(guān)系

通過上述實(shí)例們可以看到在課堂教學(xué)中使用EDA技術(shù)，有助于學(xué)生對(duì)抽象概念和規(guī)律的理解，通過計(jì)算機(jī)仿真所表現(xiàn)的直觀而清晰的現(xiàn)象，使較為抽象的概念轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^而形象的感性認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)電工學(xué)的興趣，達(dá)到了事半功倍的教學(xué)效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合

Multisim是專門用于電路仿真和設(shè)計(jì)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件.具有界面直觀、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué)易用等突出優(yōu)點(diǎn)。三相電路是日常生活和生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的電路系統(tǒng)，是電工學(xué)理論中的重要部分，但是因?yàn)槿嚯娐返碾妷狠^高，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員可能造成一定的危險(xiǎn)，同時(shí)由于某些故障性實(shí)驗(yàn)可能會(huì)對(duì)元器件造成損傷，因此對(duì)三相電路的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)較難以實(shí)施。應(yīng)用Multisim對(duì)三相電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真不僅可以得到與真實(shí)情況相同的結(jié)果，而且更加直觀形象，同時(shí)避免故障原因?qū)υ骷斐傻膿p傷，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)人員的安全性［2］。

（1）對(duì)稱三相電源電壓測(cè)量：雙擊圖3中示波器XSC1圖標(biāo)，可得對(duì)稱三相電源電壓波形如圖4所示。移動(dòng)示波器上的藍(lán)色指針到A相得峰值處，圖中標(biāo)尺顯示A相的最大值電壓為311.096V，三相電壓的相位差均為1200，測(cè)量結(jié)果反映了三相電源的基本特征，測(cè)量結(jié)果和理論分析一致。雙擊圖3中萬用表XMM1，可得對(duì)稱三相電路Y－Y接法中線電流為0，如圖5所示。說明對(duì)稱三相電路采用Y－Y接法時(shí)，電源中性點(diǎn)和負(fù)載中性點(diǎn)是等電位的。

圖3 對(duì)稱三相電源電壓測(cè)量

圖4 對(duì)稱三相電源電壓測(cè)量仿真結(jié)果圖

（2）二瓦法測(cè)三相電路功率：三相對(duì)稱電路功率測(cè)量電路如圖6所示，瓦特表XWM1和XWM2分別顯示值為725.979W，負(fù)載功率：

圖5 對(duì)稱三相電路Y－Y接法中線電流

圖6 三相對(duì)稱電路功率測(cè)量電路

理論計(jì)算，負(fù)載功率：

仿真結(jié)果說明與理論運(yùn)算基本一致。

1.3 創(chuàng)新實(shí)踐的融合

創(chuàng)新實(shí)踐，是加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。它要求創(chuàng)新實(shí)踐題目具有綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性。為此，我們借鑒全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)情況和課程實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)，按照優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、自愿結(jié)合的原則，選取4～5名學(xué)生組成一個(gè)小型團(tuán)隊(duì)完成創(chuàng)新實(shí)踐。以小型團(tuán)隊(duì)模式培養(yǎng)學(xué)生的自我實(shí)踐和創(chuàng)新能力。在設(shè)計(jì)過程中鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性、運(yùn)用多種EDA工具軟件自行設(shè)計(jì)電路、系統(tǒng)分析、完成創(chuàng)新實(shí)踐任務(wù)。這里以2008年山西省大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——《基于LabVIEW的電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》為例來進(jìn)行說明。該項(xiàng)目以LabVIEW 8.2為軟件開發(fā)平臺(tái)，以三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行整體虛擬仿真。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性和機(jī)械特性的仿真，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相電壓、電流的實(shí)時(shí)采集顯示以及轉(zhuǎn)速和頻率的測(cè)量［3］。圖7為該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)流程圖。圖8為三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性子項(xiàng)目的降電壓機(jī)械特性仿真圖。由圖8可知，當(dāng)定子相電壓Us發(fā)生變化時(shí)，n1不發(fā)生變化，即理想空載點(diǎn)不變。Tm和Tst均與Us成正比，S不發(fā)生變化，所以當(dāng)Us上升時(shí)。臨界工作點(diǎn)向右平移。這與三相異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際機(jī)械特性完全吻合。圖9為負(fù)載功率因素查詢圖，它主要是根據(jù)實(shí)際采集的頻率和負(fù)載功率因素的關(guān)系擬合出“頻率—負(fù)載功率因素”曲線圖，可以很好的反應(yīng)出在不同頻率下負(fù)載功率因素變化的情況。

圖7 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)流程圖

圖8 降電壓機(jī)械特性仿真圖

圖9 負(fù)載功率因素查詢圖

2 結(jié)論

通過上述幾個(gè)實(shí)例的分析，說明融入EDA技術(shù)改革電工學(xué)課程教學(xué)，不僅能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們牢固掌握電工學(xué)課程的理論基礎(chǔ)知識(shí)，還能夠熟練掌握現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)、仿真和開發(fā)應(yīng)用新技術(shù)。更重要的是鍛煉了他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，有效提高了他們的分析問題與解決問題的能力。

［1］ 姚海彬.電工技術(shù)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2004

［2］ 楊風(fēng).大學(xué)基礎(chǔ)電路實(shí)驗(yàn)（第一版）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006

［3］ 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007