摘 要 结合在电路分析教学中引入EWB仿真进行教学演示的实例，说明应用EWB软件可改善课堂教学效果，调动学生学习兴趣，有助于加强学生对电路理论知识的理解，并进一步掌握仿真工具的应用。
关键词 EWB;电路分析;仿真
1671-489X（2014）24-0057-03
Application of EWB to Circuit Analysis Teaching//CHEN Juan， ZHONG Yongyan， DAI Wei
Abstract This article introduces examples for the application of EWB software in Circuit Analysis teaching. The application of EWB which can improve the effect of class teaching and mobilize students’ learning interest， he contributed to strengthen student’s understanding of circuit theory knowledge， and further master the application of simulation tools.
Key words EWB; circuit analysis; simulation
1 前言
电路分析是为电气与电子类专业学生开设的一门技术基础课程，是学习电路理论的入门课程，为后续模拟电子技术、数字电子技术、自动制约原理、电机学、电力电子技术等课程提供理论支撑。如何提高电路分析课堂教学质量是电路课教师不断探索的工作[1]。电路分析教学过程中主要采用黑板板书、PPT讲解、实物演示等策略，这些策略受客观因素的限制，有时很难起到很好的教学效果。经过近几年的探索与实践，在课堂教学中引入虚拟仿真软件，将难以理解的内容通过多媒体教学平台演示，营造良好的课堂互动氛围，加深学生对基本理论的理解，调动学生学习的积极性，收到很好的教学效果。
虚拟仿真软件有PSpice、Multisim、EWB和PSIM等，通过比较，选用EWB软件作为课堂教学软件。EWB被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室[2]，工作界面直观，为使用者提供种类众多的电子元件以及高技术指标的测量仪器，具有强大的交直流、瞬态等分析功能，使用简单方便。
在电路分析课堂教学中，一阶电路的时域响应分析、二阶RLC串联电路频率响应研究等内容比较抽象，不易理解，需要借助EWB仿真软件加深学生对理论知识的理解。本文以一阶电路的时域响应分析为例，探讨电路分析课堂教学效果。
2 课堂EWB仿真实例
图1是一阶RC电路的EWB仿真图，该电路由输入信号、电阻和电容组成，其中输入信号源为方波。可以看出，电路对方波上升沿的响应就是零状态响应，对方波下降沿的响应就是零输入响应。方波响应是零状态和零输入响应的多次过程。因此，借助示波器来观察分析零状态响应和零输入响应，并可从中测出时间常数，同时转变方波周期T观察积分波形和微分波形。
取源器件库中的Clock时钟信号，其峰峰值为10 V，频率1 kHz，占空比为50%，电阻为1 kΩ，电容为22 nF，电容两端作为电路的输出[3]。用示波器显示输入输出波形，A通道为输入方波信号，B通道为输出波形。
零状态响应 零状态响应即为储能元件初始状态为零，仅在信号源激励下产生的电路各部分的响应。当方波信号源电压由0 V跃变成10 V（上升沿）后，即电路工作在零状态响应下，可通过基尔霍夫电压定律（KVL）以及电容两端电压与流过电容电流关系式，理论推导出输出电压（电容两端电压）uc（t）=Us（1-e-t/τ），其中Us为电源电压，τ=RC是时间常数。若t=τ，理论推算出uc=0.632Us=6.32 V。
图2为一阶RC电路的方波响应的仿真波形，其中1为输入方波，2为电容两端电压输出波形。从波形2可以看出，在方波的上升沿，对应着电容充电。移动1号游标至方波上升沿起始处，移动2号游标至VB2等于或非常接近于6.32 V处，读出此时T2-T1的值约为22.7625 μs，这个值即为时间常数的值，与理论值τ=RC=22 μs相比，误差很小。
零输入响应 零输入响应即为输入信号为零，仅由储能元件初始储能产生的电路各部分的响应。当方波信号源电压由10 V跃变成0 V（下降沿）后，即电路工作在零输入响应下，可通过基尔霍夫电压定律（KVL）、电容两端电压与流过电容电流关系式以及电路工作的初始条件，理论推导出输出电压uc（t）=U0e-t/τ，其中U0为电容极板初始电压10 V，τ=RC是时间常数。若t=τ，理论推算出uc=0.368U0=3.68 V。
图2的仿真波形中，在方波的下降沿，电容开始放电。移动1号游标至方波下降沿起始处，移动2号游标至VB2等于或非常接近于3.68 V处，读出此时T2-T1的值约为23.4680 μs，这个值即为时间常数的值，与理论值τ=RC=22 μs相比，误差很小。
积分电路 转变时间常数或方波周期，电路输出波形发生变化。当时间常数τ很大，τ=10?（T/2），
，可知输出电压是输入电压的积分，输出波形近似为一个三角波，即为RC积分电路。通过转变方波周期T或者转变RC值，可实现积分电路。
在EWB仿真中，转变方波周期f=1/T=5/τ=227 kHz，则示波器波形如图3所示。由仿真波形可知，方波信号经过电路被积分成三角波输出。
微分电路 若将图1 RC电路中电阻作为电路的输出，当时间常数τ很小，，，可知输出电压是输入电压的微分，即为RC微分电路。通过转变方波周期T或者转变RC值可实现微分电路。在EWB仿真中，转变方波周期f=1/T=20τ=2.27 kHz，则示波器波形如图4所示。由仿真波形可知，方波信号经过电路被微分成尖脉冲信号。
3 结论
在一阶RC电路的响应这部分内容的授课中，课堂上采用PPT讲解，提出零输入响应、零状态响应、时间常数等概念，且理论推导输出电压公式;同时结合EWB仿真软件，将仿真结果与理论推导结果相对比，将抽象的理论转换成直观的波形展示出来，转变了以往教学过程中因教学手段单一而造成学生对一些抽象的原理理解不深刻甚至难以理解的现象，提高课堂教学的积极性，提高学生学习积极性，久而久之形成良性循环。
在此基础上，通过启发式、引导式教学策略，引申出积分电路和微分电路的概念作为理论教学的补充。只要通过转变仿真原理图参数值，便可灵活地分析各种参数变化对电路性能的影响，很好地将理论知识与实验验证相结合，不仅活跃了课堂气氛，而且将传统的“填鸭式”教学策略转变为引导式教学策略，激发学生学习的兴趣，提高学生学习的主动性，同时有助于学生发散思维的培养。
参考文献
[1]邱关源.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.
[2]钟文耀，段玉生，何丽静.EWB电路设计入门与应用[M].北京：清华大学出版社，2000.
[3]堵俊.电路与电子技术实验教程[M].北京：电子工业出版社，2009.
*基金：南通大学教学改革研究课题（2012B038，2014B48）。
作者：陈娟，南通大学电气工程学院讲师，主要从事电路分析的教学与研究工作;钟永彦、戴伟，南通大学电气工程学院（226019）。
论EWB在电路教学中应用*
更新时间：2024-02-05
作者：用户投稿
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