摘要：開設(shè)設(shè)計性、綜合性實驗以培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力是實驗環(huán)節(jié)的共識和目標，本文據(jù)此論述了在電路基礎(chǔ)或電路分析實驗中開設(shè)綜合性實驗的重要性和可操作性，以最大功率傳輸實驗為例說明了綜合性實驗的設(shè)置方法，并進行了仿真驗證，對該實驗設(shè)置中的關(guān)鍵注意事項等進行了探討。結(jié)果表明，在電路基礎(chǔ)實驗中可以設(shè)置綜合性實驗是可行的，這為在該課程中設(shè)置綜合性實驗提供了借鑒思路。

關(guān)鍵詞：電路實驗；綜合性實驗；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0214-02

電路基礎(chǔ)或電路分析是電子信息類第一門專業(yè)基礎(chǔ)課。在該課程的教學中，通常都會設(shè)計不同內(nèi)容的實驗環(huán)節(jié)。但是目前國內(nèi)眾多的電路基礎(chǔ)實驗教材中開設(shè)的綜合性實驗卻明顯較少，同時，目前主要的開課方式是將實驗設(shè)置在平時的教學中，每次只能進行3～4個學時的實驗，不利于學生綜合能力的鍛煉和提升。究其原因可能主要有兩點，一是對電路基礎(chǔ)課程中綜合性實驗的認識或重視程度不夠，并對其涵義理解存在偏差；二是認為學生的相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識還比較少，開設(shè)綜合性實驗有不少難度，因此導致在電路分析課程中開設(shè)時間長、內(nèi)容廣、形式多的綜合性實驗缺乏動力。近年來，在電工電子實驗教學體系中提倡開設(shè)設(shè)計性、綜合性實驗以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力已成為眾多相關(guān)專家們的共識，在電路基礎(chǔ)或電路分析課程中開設(shè)綜合性實驗也自然十分必要。但是，開設(shè)綜合性實驗仍然面臨的問題是，在實驗項目涉及的知識點不明顯超出課程范圍即在內(nèi)容緊緊圍繞理論課程的前提下，如何設(shè)置實驗才是符合綜合性要求的。對此，本文進行了解釋和澄清，并指出，綜合性實驗可以理解為：①實驗內(nèi)容的綜合性；②實驗方法與手段的綜合性。根據(jù)上述對綜合性實驗涵義的解釋，我們有理由相信在本課程內(nèi)容范圍內(nèi)設(shè)計的綜合性實驗是可能的也是可行的。最大功率傳輸是電路理論教學中十分重要的內(nèi)容，該定理所涉及的問題也是實際電子、通信電路設(shè)計中必須考慮的問題。在電路基礎(chǔ)理論課程中，最大功率傳輸在不同的章節(jié)和電路模塊（直流電阻電路、正弦穩(wěn)態(tài)交流電路、含理想變壓器電路）中多次出現(xiàn)，貫穿整個電路分析過程的始終，因此其內(nèi)容具備一定的綜合性，掌握該內(nèi)容需要該理論課程不同知識點的有機聯(lián)系和綜合。與此同時，也有不少學者對該內(nèi)容進行的理論分析和討論，是課程的一個難點和重點。因此，若將其涉及的多個知識點集成在一個實驗環(huán)境中，并綜合通過軟硬件結(jié)合的方法設(shè)計和實現(xiàn)，就可以很好地達到綜合性實驗的目標和要求，且又不盲目提高或超出學習要求。

一、實驗方案設(shè)計

最大功率傳輸定理討論的是：含源線性單口網(wǎng)絡(luò)向負載供電時，負載獲得最大功率的條件。在本文討論中，為方便起見其中的含源線性單口網(wǎng)絡(luò)一般可用戴維南等效電路表示。整個實驗電路如圖1所示，圖中除了電壓源及其內(nèi)阻R0外，還包括另一個電阻R，電感L，電容C和變壓器T，它們通過開關(guān)進行選擇。Z是負載阻抗，根據(jù)不同情況進行元件匹配選擇。而在實驗方式上，通過軟件仿真和實測數(shù)據(jù)兩種不同的方式進行驗證與對照，以深化實驗的內(nèi)容和效果。

1.直流電阻電路。見圖1。

該條件下情況比較簡單，圖中的電源源u既可以是直流電壓源也可以是交流電源，R0是電阻值，可變負載用阻抗Z表示，此時也可以是純電阻RL。因此當RL=R0時，負載上得到最大功率，PLMAX=UOC2/4R0。為該實驗設(shè)計的數(shù)據(jù)表格如表1所示。實驗中須注意兩點。①在實際的實驗過程中，可設(shè)計一個比較復雜的電路，由學生自主用實驗的方法獲得該電路的戴維南等效電路，以增加實驗的綜合性。②根據(jù)計算的PL畫出其與RL數(shù)據(jù)變化的曲線，由學生根據(jù)數(shù)據(jù)和曲線說明實驗結(jié)論。

2.正弦穩(wěn)態(tài)交流電路。正弦穩(wěn)態(tài)電路中，外部負載從具有內(nèi)阻抗的交流電源獲得最大有功功率的條件，稱為最大功率傳輸定理。設(shè)電源有效值相量為■S，內(nèi)阻抗ZS=RS+jXS，ZS固定，RS為正，負載阻抗ZL=RL+jXL=|ZL|∠φz。若RL和XL均可改變，且RL為正值；則當ZL+RL+jXL=RS-jXS=Z*S時，負載上得到最大功率為PMAX=■，稱共軛匹配。若阻抗角φz不變，模|ZL|可變，則|ZL|=|Zs|，稱模匹配。此時，電源須為正弦交流電，而內(nèi)阻抗可以分別包含電容或電感。此時實驗中須另外注意兩點。①實驗室常用的電容或電感數(shù)量限制的條件下，由于獲得最大功率時，負載阻抗須與內(nèi)阻抗相匹配，因此電感和電容的大小以及函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率選取是有講究的，因此需要先經(jīng)過較好的預習和分析環(huán)節(jié)。②在一定的輸入頻率下，實驗數(shù)據(jù)表格是二維及以上的。因為內(nèi)阻抗包括電阻分量和電抗分量，負載阻抗中也應(yīng)有不同的電阻和電抗，且電抗還可以是不同性質(zhì)的。

3.含變壓器的最大功率傳輸。根據(jù)電路理論，變壓器可以起到阻抗變換作用。因此，圖1中從負載Z一端看，就相當于原內(nèi)阻變?yōu)椋颂幰⒁獾氖请m然內(nèi)阻是純電阻，但輸入信號須為交流信號。

二、實驗效果與討論

為了驗證該實驗的效果，以圖1中開關(guān)SA2閉合即接入電感為例進行仿真實驗研究?？紤]到實際使用的實驗元器件數(shù)量和容量的限制和實驗的實際效果，仿真時取us為有效值1V，頻率15.9KHZ正弦交流電源，內(nèi)阻R0=1KΩ，電感L=10mH。根據(jù)理論計算有當Z中RL=1KΩ，且C=10nF時，負載上過得最大有功功率0.25mW。而MULTISIM8仿真測試結(jié)果如表1所示，由表可見實驗數(shù)據(jù)較好的符合定理本身。同時在實驗中尚有幾點另外值得探討和注意的地方：

1.仿真數(shù)據(jù)是比較理想的情況，在實際測試中由于元器件和交流表的誤差以及本身一些數(shù)據(jù)比較接近等因素可能會使結(jié)果有一些偏差并帶來一些數(shù)據(jù)相對大小的不確定性，這也正好說明了綜合性實驗中多種實驗方式比較的重要性和趣味性。

2.事實上在實際測試中，交流電源一般用信號發(fā)生器會有幾十歐姆的內(nèi)阻。單口網(wǎng)絡(luò)實際的內(nèi)阻比R0要大些，因此RL取值時要注意不匹配的值要離R0遠一些。否則容易產(chǎn)生誤解的結(jié)果。

3.嚴格來說，實驗結(jié)果仍舊只是一種不完整的窮舉逼近。而且負載阻抗也可以含有電感和電容的組合，只是這種情況使得表格更為復雜，實驗還是鼓勵嘗試。當頻率或元件參數(shù)改變時，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果也將發(fā)生變化，因此實驗前的預習和準備至關(guān)重要。

三、總結(jié)

論文以最大功率傳輸實驗為例探討了電路基礎(chǔ)或電路分析課程中綜合性實驗的設(shè)置方法。同時對該綜合性實驗設(shè)置中的關(guān)鍵問題和注意事項等進行了說明。實驗結(jié)果驗證了在電路基礎(chǔ)實驗中可以設(shè)置綜合性實驗項目的可行性，為在該課程中設(shè)置綜合性實驗提供了有益的借鑒思路和嘗試。

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基金項目：浙江省教育技術(shù)規(guī)劃課題（項目編號：JB120）

作者簡介：呂偉鋒，講師，博士，主要從事集成電路CAD及電路分析及實驗課程教學研究。