王高騰，李永濤

（1.蘭考三農(nóng)職業(yè)學(xué)院 智能制造系，河南蘭考，475300；2.蘭考三農(nóng)職業(yè)學(xué)院 科研規(guī)劃處，河南蘭考，475300）

0 引言

“電工電子技術(shù)”是機(jī)電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程主要介紹了電路原理、模擬電路、數(shù)字電路等方面的基本理論及應(yīng)用技術(shù)[1]。它既具有較深的理論性，又具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性，同時(shí)，電路及電路器件也與人們的日常生活息息相關(guān)，已經(jīng)是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的基本組成部分。

筆者在“電工電子技術(shù)”教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式，例如板書、課件播放等，在展示電路波形時(shí)，存在不直觀、不靈活的缺點(diǎn)。盡管可以將部分電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材帶進(jìn)課堂，實(shí)物演示并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是能帶進(jìn)課堂并展示的電路非常有限，而且存在電路參數(shù)不易調(diào)節(jié)、電路器件容易損壞、電路結(jié)構(gòu)及輸出結(jié)果不易展示的缺點(diǎn)，同時(shí)，安全性也是一個(gè)必須考慮的問題。

為改進(jìn)教學(xué)手段，提高教學(xué)效果，加深學(xué)生對(duì)電路基本知識(shí)的理解，筆者嘗試在課堂教學(xué)中引入電路仿真技術(shù)，在課堂上通過快速搭建仿真模型、合理修改電路參數(shù)對(duì)比輸出結(jié)果，使理論分析得以驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2-5]討論了Multisim、Proteus、Tina等電路仿真軟件在電工電子技術(shù)教學(xué)、電路設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

為避免版權(quán)糾紛、尊重軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)，筆者使用LTspice進(jìn)行課堂教學(xué)，相比于Multisim、Proteus、Tina等商業(yè)軟件，它不僅免費(fèi)，而且具有仿真精度高、易使用、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足課堂教學(xué)的需要。

1 模擬電路仿真

■1.1 二極管保護(hù)電路

電路中若存在感性器件，如圖1所示，則開關(guān)斷開的瞬間，電感L1因電流突然中斷會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高于電壓源很多倍的自感電動(dòng)勢(shì)。

圖1 未加二極管保護(hù)的測(cè)試電路

在LTspice中搭建仿真模型，如圖2所示。開關(guān)S1由電壓源B1觸發(fā)，S1的觸發(fā)正端電壓值為正值時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；S1的觸發(fā)正端電壓值為負(fù)值時(shí)，開關(guān)截止。運(yùn)行仿真后，在第1秒時(shí)S1截至，電感L1上的自感電動(dòng)勢(shì)如圖3所示，從圖可見，在開關(guān)截止的瞬間，電感產(chǎn)生了遠(yuǎn)超電壓源的自感電動(dòng)勢(shì)，若不加保護(hù)措施，此自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路造成嚴(yán)重的沖擊，甚至破壞元器件。

圖2 未加二極管保護(hù)的測(cè)試電路仿真模型

圖3 電感瞬間產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)

為保護(hù)電路，延長(zhǎng)其使用壽命，需要在電感L1上并聯(lián)一個(gè)泄放二極管，如圖4所示。這樣，電感L1和二極管D1形成閉合回路，使自感電動(dòng)勢(shì)大幅減小，從而保護(hù)電路，開關(guān)截止瞬間的波形如圖5所示。

圖4 加入二極管保護(hù)的測(cè)試電路仿真模型

圖5 加入二極管后電感自感電動(dòng)勢(shì)

■1.2 晶體管放大電路

在LTspice中，根據(jù)圖6進(jìn)行直流掃描，得到晶體管2N4401的伏安特性曲線，如圖7所示，從而得到晶體管的一個(gè)直流靜態(tài)工作點(diǎn)：

圖6 2N4401伏安特性曲線仿真原理圖

圖7 2N4401的伏安特性曲線

搭建共射極分壓式偏置放大電路，如圖8所示，利用LTspice的“.op”命令，查看該電路的直流靜態(tài)工作點(diǎn)，有根據(jù)式（1）：

圖8 共射極分壓式偏置放大電路

圖9 放大電路的輸入輸出電壓波形

■1.3 同相比例運(yùn)算電路

同相比例運(yùn)算電路的仿真模型如圖10所示，其電壓放大倍數(shù)為式（2）：

圖10 同相比例運(yùn)算電路

從圖11可見，輸出波形滿足指定的電壓放大倍數(shù)，并且符合同相比例運(yùn)算電路的波形特征。

圖11 同相比例運(yùn)算電路輸入輸出波形

2 數(shù)字電路仿真

由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖12所示，其輸入輸出波形如圖13所示，可見該電路的輸入輸出波形滿足施密特觸發(fā)器的波形特征。

圖12 施密特觸發(fā)器

圖13 施密特觸發(fā)器的輸入輸出波形

3 結(jié)語

電路仿真是深入理解電路原理的有效手段，對(duì)電路設(shè)計(jì)與電路分析也極具時(shí)效性。用好仿真，能使課堂教學(xué)生動(dòng)形象，達(dá)到所見即所得的效果。運(yùn)用仿真技術(shù)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠驗(yàn)證自己的想法與創(chuàng)意，這是一個(gè)知識(shí)深化的過程。

同時(shí)，也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，一項(xiàng)成功的仿真過程依賴于對(duì)電路原理的深刻理解。仿真技術(shù)與電路原理，二者相輔相成。在仿真進(jìn)課堂的教學(xué)實(shí)踐中，教師的角色，不僅在于引導(dǎo)學(xué)生正確使用仿真工具，更重要的是能夠從眾多的可能性中分辨與解釋引起錯(cuò)誤仿真結(jié)果的真正原因所在。