电路基础综合性实验设计研究

摘要：开设设计性、综合性实验以培养学生的实践创新能力是实验环节的共识和目标，本文据此论述了在电路基础或电路分析实验中开设综合性实验的重要性和可操作性，以最大功率传输实验为例说明了综合性实验的设置方法，并进行了仿真验证，对该实验设置中的关键注意事项等进行了探讨。结果表明，在电路基础实验中可以设置综合性实验是可行的，这为在该课程中设置综合性实验提供了借鉴思路。

关键词：电路实验；综合性实验；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0214-02

电路基础或电路分析是电子信息类第一门专业基础课。在该课程的教学中，通常都会设计不同内容的实验环节。但是目前国内众多的电路基础实验教材中开设的综合性实验却明显较少，同时，目前主要的开课方式是将实验设置在平时的教学中，每次只能进行3～4个学时的实验，不利于学生综合能力的锻炼和提升。究其原因可能主要有两点，一是对电路基础课程中综合性实验的认识或重视程度不够，并对其涵义理解存在偏差；二是认为学生的相关专业基础知识还比较少，开设综合性实验有不少难度，因此导致在电路分析课程中开设时间长、内容广、形式多的综合性实验缺乏动力。近年来，在电工电子实验教学体系中提倡开设设计性、综合性实验以培养学生的创新能力已成为众多相关专家们的共识，在电路基础或电路分析课程中开设综合性实验也自然十分必要。但是，开设综合性实验仍然面临的问题是，在实验项目涉及的知识点不明显超出课程范围即在内容紧紧围绕理论课程的前提下，如何设置实验才是符合综合性要求的。对此，本文进行了解释和澄清，并指出，综合性实验可以理解为：①实验内容的综合性；②实验方法与手段的综合性。根据上述对综合性实验涵义的解释，我们有理由相信在本课程内容范围内设计的综合性实验是可能的也是可行的。最大功率传输是电路理论教学中十分重要的内容，该定理所涉及的问题也是实际电子、通信电路设计中必须考虑的问题。在电路基础理论课程中，最大功率传输在不同的章节和电路模块（直流电阻电路、正弦稳态交流电路、含理想变压器电路）中多次出现，贯穿整个电路分析过程的始终，因此其内容具备一定的综合性，掌握该内容需要该理论课程不同知识点的有机联系和综合。与此同时，也有不少学者对该内容进行的理论分析和讨论，是课程的一个难点和重点。因此，若将其涉及的多个知识点集成在一个实验环境中，并综合通过软硬件结合的方法设计和实现，就可以很好地达到综合性实验的目标和要求，且又不盲目提高或超出学习要求。

一、实验方案设计

最大功率传输定理讨论的是：含源线性单口网络向负载供电时，负载获得最大功率的条件。在本文讨论中，为方便起见其中的含源线性单口网络一般可用戴维南等效电路表示。整个实验电路如图1所示，图中除了电压源及其内阻R0外，还包括另一个电阻R，电感L，电容C和变压器T，它们通过开关进行选择。Z是负载阻抗，根据不同情况进行元件匹配选择。而在实验方式上，通过软件仿真和实测数据两种不同的方式进行验证与对照，以深化实验的内容和效果。

1.直流电阻电路。见图1。

该条件下情况比较简单，图中的电源源u既可以是直流电压源也可以是交流电源，R0是电阻值，可变负载用阻抗Z表示，此时也可以是纯电阻RL。因此当RL=R0时，负载上得到最大功率，PLMAX=UOC2/4R0。为该实验设计的数据表格如表1所示。实验中须注意两点。①在实际的实验过程中，可设计一个比较复杂的电路，由学生自主用实验的方法获得该电路的戴维南等效电路，以增加实验的综合性。②根据计算的PL画出其与RL数据变化的曲线，由学生根据数据和曲线说明实验结论。

2.正弦稳态交流电路。正弦稳态电路中，外部负载从具有内阻抗的交流电源获得最大有功功率的条件，称为最大功率传输定理。设电源有效值相量为■S，内阻抗ZS=RS+jXS，ZS固定，RS为正，负载阻抗ZL=RL+jXL=|ZL|∠φz。若RL和XL均可改变，且RL为正值；则当ZL+RL+jXL=RS-jXS=Z*S时，负载上得到最大功率为PMAX=■，称共轭匹配。若阻抗角φz不变，模|ZL|可变，则|ZL|=|Zs|，称模匹配。此时，电源须为正弦交流电，而内阻抗可以分别包含电容或电感。此时实验中须另外注意两点。①实验室常用的电容或电感数量限制的条件下，由于获得最大功率时，负载阻抗须与内阻抗相匹配，因此电感和电容的大小以及函数信号发生器输出信号的频率选取是有讲究的，因此需要先经过较好的预习和分析环节。②在一定的输入频率下，实验数据表格是二维及以上的。因为内阻抗包括电阻分量和电抗分量，负载阻抗中也应有不同的电阻和电抗，且电抗还可以是不同性质的。

3.含变压器的最大功率传输。根据电路理论，变压器可以起到阻抗变换作用。因此，图1中从负载Z一端看，就相当于原内阻变为，但此处要注意的是虽然内阻是纯电阻，但输入信号须为交流信号。

二、实验效果与讨论

为了验证该实验的效果，以图1中开关SA2闭合即接入电感为例进行仿真实验研究。考虑到实际使用的实验元器件数量和容量的限制和实验的实际效果，仿真时取us为有效值1V，频率15.9KHZ正弦交流电源，内阻R0=1KΩ，电感L=10mH。根据理论计算有当Z中RL=1KΩ，且C=10nF时，负载上过得最大有功功率0.25mW。而MULTISIM8仿真测试结果如表1所示，由表可见实验数据较好的符合定理本身。同时在实验中尚有几点另外值得探讨和注意的地方：

1.仿真数据是比较理想的情况，在实际测试中由于元器件和交流表的误差以及本身一些数据比较接近等因素可能会使结果有一些偏差并带来一些数据相对大小的不确定性，这也正好说明了综合性实验中多种实验方式比较的重要性和趣味性。

2.事实上在实际测试中，交流电源一般用信号发生器会有几十欧姆的内阻。单口网络实际的内阻比R0要大些，因此RL取值时要注意不匹配的值要离R0远一些。否则容易产生误解的结果。

3.严格来说，实验结果仍旧只是一种不完整的穷举逼近。而且负载阻抗也可以含有电感和电容的组合，只是这种情况使得表格更为复杂，实验还是鼓励尝试。当频率或元件参数改变时，实验数据结果也将发生变化，因此实验前的预习和准备至关重要。

三、总结

论文以最大功率传输实验为例探讨了电路基础或电路分析课程中综合性实验的设置方法。同时对该综合性实验设置中的关键问题和注意事项等进行了说明。实验结果验证了在电路基础实验中可以设置综合性实验项目的可行性，为在该课程中设置综合性实验提供了有益的借鉴思路和尝试。

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基金项目：浙江省教育技术规划课题（项目编号：JB120）

作者简介：吕伟锋，讲师，博士，主要从事集成电路CAD及电路分析及实验课程教学研究。