单位文秘网 2022-02-25 09:40:41 点击: 次
摘要:给出电路课程传统教学中存在的问题,介绍了计算机辅助设计软件OrCAD PSpice软件的电路仿真功能及其在电路教学中的应用,结合教学中的具体实例,说明了进行电路仿真的过程,改变了传统电路教学普遍存在抽象理论推导和计算的倾向,通过软件的使用可以使教学中理论和实际联系更紧密,取得更好的教学效果。
关键词:电路;PSpice 仿真;教学辅助
作者简介:曹文思(1978-),男,河南开封人,华北水利水电学院电力学院,讲师;郭恒(1980-),男,河南郑州人,华北水利水电学院电力学院,讲师。(河南 郑州 450011)
基金项目:本文系河南省教育厅自然科学基金项目(项目编号:2011A470005)的研究成果。
中图分类号:G642.3 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2011)17-0071-02
电路课是电类各专业的一门重要专业基础课,电路理论所研究的对象是从实际电气系统抽象出来的近似数学模型,具有抽象性、复杂性、宽泛性的特点,电路既是后续专业课程的基础,又是一门重要的考研课程,是整个课程体系的重点与难点之一。[1,2]
目前,在电路分析课程教学中,教师一般采用的教学方法是:先在课堂上给学生介绍理论知识,再引用例题加以论证,然后由学生通过做作业和实验加深对理论的理解。在教学实践中,往往会出现如下的问题:电路分析课程中是以讲授电路为主,教师每堂课都要在黑板上画出大量的基本电路,不仅劳动强度大,而且教学的进度和教学质量也会受到影响;教学中,大多数教师着重于传授理论知识,不能使学生真实地感受到电路的可实现性,也无法判断理论分析方案的正确性;在电路分析过程中,理论分析通常都是一些繁琐的公式推导及一些孤立的计算数据,很难形成电路特性曲线,缺乏直观性,更难对电路的参数进行分析及优化设计。
学生在听取理论课时,由于跟实际联系不上,对理论难以理解,造成理论课“难学、抽象”的思想障碍,久而久之就失去了学习兴趣,极大地束缚了学生更深入地分析、解决实际问题能力。
本文将PSpice仿真技术引入课堂教学,将抽象的内容直观化,将复杂的内容简单化,将实验内容课堂化,使课堂教学更生动、直观,使电路分析课程中一些基本理论和基本概念更加容易理解。
一、OrCAD PSpice软件仿真功能及模拟仿真的过程
1.OrCAD PSpice软件仿真功能
PSpice是一种通用电路分析程序,能够分析和模拟一般条件下的各种电路特性。它主要包括Schematics、PSpice、Probe、Stmed(Stimulus Editor)、Parts、PSpice Optimizer六大模块,具有强大的电路图绘制、模拟仿真以及图形后处理功能,可用于做各种电路实验和测试,以便修改与优化设计。如计算直流工作点(Bias Point),进行直流扫描(DC Sweep)与交流扫描(AC Sweep),瞬态、参数扫描和显示检测点的电压电流波形等多种功能。PSpice软件由于收敛性好,适于做系统及电路仿真,具有快速、准确的仿真能力。[3,4]
2.OrCAD PSpice软件模拟仿真的过程
采用OrCAD PSpice软件系统对电路设计方案进行电路模拟的基本过程共分为八个阶段:新建设计项目(Project),电路图生成,电路特性分析类型和分析参数设置,运行PSpiceA/D程序,模拟结果的显示和分析,电路优化设计,设计修正,设计结果输出。
二、OrCAD PSpice在电路教学中应用
1.电路课堂教学应用
(1)可以加深学生对抽象概念和定理的理解。在电路理论某些章节的课堂教学中,为了阐述电路的特点,常常需要通过推导表达式并绘制相应的曲线,这使得课堂教学显得十分枯燥、乏味,同时也耗费了课堂上宝贵的时间。此时,如果充分利用PSpice强大的作图功能,并结合多媒体教学,可以极大地提高课堂的授课效率,激发学生的学习兴趣,使学生对抽象问题的理解更加形象生动。[5]
例如,利用PSpice的交流分析功能,如图1所示,分析RLC串联电路中各元件电压的频率特性,以及其特性随电阻参数(即品质因数Q=ω0L/R)变化的情况,各元件的参数如图2所示。其中电容和电感元件的参数为定值,电阻元件的参数可变。在Simulation Settings对话框的AC Sweep/Noise分析类型下,设置交流频率扫描范围为1kHz~10MHz。为了观察不同参数val情况下的频率特性,要用列表的形式分别计算R=100Ω、500Ω、1kΩ情况下的频率特性。启动仿真后,在Probe窗口观察电阻电压(电流波形与电阻电压波形形状相同)在不同阻值下的频率特性;分别观察每个电阻值下的电容电压和电感电压的频率特性,如图2所示。
LC串联电路是一个带通滤波器,其中心频率(谐振频率)为1MHz,在不同的品质因数下,电阻电压的带宽是不同的,电阻越大(品质因数越小),频带越宽,但是频率选择性越差。电容和电感电压的振幅在谐振时相等,但是最大值并不发生在谐振频率处,而是分别在谐振频率的上下,当品质因数大于0.707时,其最大值有超调,否则无超调。
如果在课前画好电路图,设置好分析类型,在课堂上只要按一下仿真按钮,即可得到仿真曲线,这种处理结果精确、形象、生动。
(2)可以减少繁琐计算,更注重定理实质的应用。电路中介绍了很多有效的电路分析计算方法,比如支路电流法、回路电流法、节点电压法等;很多定理,如戴维宁定理、叠加定理等。但是当电路变量较多或者涉及动态电路时,人们不得不面对解多元方程组甚至微分方程。如果把这些繁琐的计算工作用计算机来完成,教师就可以将主要精力放在对基本原理、定律和基本方法的讲解上,采用PSpice仿真进行佐证,不但可以使课堂生动、活跃,还可以在课堂上将现代的电路分析方法介绍给学生,提高学生学习电路和计算机的兴趣,必将起到事半功倍的效果。
例如,求图3电路的戴维宁等效电路。利用PSpice的直流分析功能,设置DC Bias Detail直流工作点分析参数,可观察各节点电压,各支路电流。本电路端口的短路电流ISC,如图4添加元件R3。理论上端口应短接,电阻参数应为0,但PSpice不许有短路支路,为了计算短路电流Isc,只需把本支路的电阻值设得任意小,但不能为零,故这里把R3元件的Value属性设为0.00001Ω,添加元件IPRINT。由于DC Bias Detail偏压点分析只默认输出各结点电压,要想得到某支路电流的计算结果,必须在此支路中串联输出标示符IPRINT,启动Pspice程序执行仿真。在PSpice窗口下,可观察各支路电流。短路电流、开路电压求出后,可轻松得到戴维宁等效电路。本例端口的伏安特性如图5所示,仿真结果如图6所示。
PSpice不需要人工列写方程式或编制大量的计算机程序,可以将各节点电压、各支路电流以及各元件功率的仿真结果直接显示在电路图中,方便、清晰、快捷。
2.电路实验教学应用
传统的实验课完全依赖硬件实验的方式来验证理论,实验课的单一性和封闭性束缚了学生创新能力的发挥。应改变传统的只有硬件实验的教学模式,开展软硬件实验兼有的新的实验教学模式。
引入仿真技术来构建实验教学平台,创建新型的教学模式。在实验中应用Pspice仿真设计软件对实验内容进行设计仿真,如直流扫描、交流分析、噪声分析、温度分析等,仿真效果准确、逼真、形象。可以根据电路的结构和元器件参数,对实验电路进行仿真,在计算机屏幕上,方便地修改实验电路结构及参数,反复测试、观察输出波形,至满足设计要求为止,能够获得电路的最佳技术指标,从而快速、方便、精确地评价实验电路设计的正确性,节省大量的时间和费用。还可以进行传统方法难以进行或无法进行的误差分析、灵敏度分析、最坏情况分析等。另外还可以方便地进行多种设计方案的比较和优选,从而选择最佳的设计方案,进一步提高实验电路设计的质量,达到优化电路设计的目的,进而解决由扩招带来的实验经费紧张和由试验场所局限性带来的难题。
例如,创新实验如图7所示RL电路,当Us为正弦波元件Vsin时,观察当电源初相为60°、120°、180°、240°、300°时各波形,说明接入角对电流的影响。仿真结果如图8所示。
实践证明,将OrCAD PSpice引入电路课程的实验教学,是对传统实验内容和方式的有效补充和改进。当然,仿真试验不能完全取代传统的动手实验,而是应该将两种方式有机结合,既锻炼学生的动手能力,又提高他们的实验层次和水平。
三、结论
采用PSpice进行电路仿真教学,不但可以使学生们对于电路中抽象的概念通过实验简单化、形象化,还可以使学生轻点鼠标,在计算机上就可以得到实际中较难实现的实验结果。既培养了学生的学习兴趣,又使他们掌握了知识,在得到结果的同时还节省了大量时间和资金,更加有利于教学活动取得较好的结果。通过使用计算机辅助设计软件还可以快速方便地进行多种方案设计的仿真实现,这些都不受实际实验室条件的限制,极大地发挥了学生的主观能动性和创造性,并使整个设计过程变得生动活泼。
参考文献:
[1]邱关源,罗先觉.电路[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]张长富.电路[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3]王辅春.电子电路CAD与OrCAD教程[M].北京:机械工业出版社,2004.
[4]贾新章,等.OrCAD/PSpice9实用教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.
[5]刘彦鹂,周展怀.电工电子实验中仿真实验的地位和作用[J].电气电子教学学报,2007,29(1).
(责任编辑:沈清)
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