摘要：開設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的共識(shí)和目標(biāo)，本文據(jù)此論述了在電路基礎(chǔ)或電路分析實(shí)驗(yàn)中開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)的重要性和可操作性，以最大功率傳輸實(shí)驗(yàn)為例說明了綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)置中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)等進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，在電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中可以設(shè)置綜合性實(shí)驗(yàn)是可行的，這為在該課程中設(shè)置綜合性實(shí)驗(yàn)提供了借鑒思路。

關(guān)鍵詞：電路實(shí)驗(yàn)；綜合性實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xué)中，通常都會(huì)設(shè)計(jì)不同內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。但是目前國(guó)內(nèi)眾多的電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教材中開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)卻明顯較少，同時(shí)，目前主要的開課方式是將實(shí)驗(yàn)設(shè)置在平時(shí)的教學(xué)中，每次只能進(jìn)行3～4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生綜合能力的鍛煉和提升。究其原因可能主要有兩點(diǎn)，一是對(duì)電路基礎(chǔ)課程中綜合性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)或重視程度不夠，并對(duì)其涵義理解存在偏差；二是認(rèn)為學(xué)生的相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)還比較少，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)有不少難度，因此導(dǎo)致在電路分析課程中開設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、內(nèi)容廣、形式多的綜合性實(shí)驗(yàn)缺乏動(dòng)力。近年來，在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中提倡開設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力已成為眾多相關(guān)專家們的共識(shí)，在電路基礎(chǔ)或電路分析課程中開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)也自然十分必要。但是，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)仍然面臨的問題是，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)才是符合綜合性要求的。對(duì)此，本文進(jìn)行了解釋和澄清，并指出，綜合性實(shí)驗(yàn)可以理解為：①實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性；②實(shí)驗(yàn)方法與手段的綜合性。根據(jù)上述對(duì)綜合性實(shí)驗(yàn)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(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)是可能的也是可行的。最大功率傳輸是電路理論教學(xué)中十分重要的內(nèi)容，該定理所涉及的問題也是實(shí)際電子、通信電路設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)點(diǎn)的有機(jī)聯(lián)系和綜合。與此同時(shí)，也有不少學(xué)者對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行的理論分析和討論，是課程的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)。因此，若將其涉及的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)集成在一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并綜合通過軟硬件結(jié)合的方法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，就可以很好地達(dá)到綜合性實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和要求，且又不盲目提高或超出學(xué)習(xí)要求。

一、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

最大功率傳輸定理討論的是：含源線性單口網(wǎng)絡(luò)向負(fù)載供電時(shí)，負(fù)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)電阻R，電感L，電容C和變壓器T，它們通過開關(guān)進(jìn)行選擇。Z是負(fù)載阻抗，根據(jù)不同情況進(jìn)行元件匹配選擇。而在實(shí)驗(yàn)方式上，通過軟件仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩種不同的方式進(jìn)行驗(yàn)證與對(duì)照，以深化實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(fù)載用阻抗Z表示，此時(shí)也可以是純電阻RL。因此當(dāng)RL=R0時(shí)，負(fù)載上得到最大功率，PLMAX=UOC2/4R0。為該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表格如表1所示。實(shí)驗(yàn)中須注意兩點(diǎn)。①在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，可設(shè)計(jì)一個(gè)比較復(fù)雜的電路，由學(xué)生自主用實(shí)驗(yàn)的方法獲得該電路的戴維南等效電路，以增加實(shí)驗(yàn)的綜合性。②根據(jù)計(jì)算的PL畫出其與RL數(shù)據(jù)變化的曲線，由學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)和曲線說明實(shí)驗(yàn)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(fù)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(fù)載阻抗ZL=RL+jXL=|ZL|∠φz。若RL和XL均可改變，且RL為正值；則當(dāng)ZL+RL+jXL=RS-jXS=Z*S時(shí)，負(fù)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(shí)，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(shí)實(shí)驗(yàn)中須另外注意兩點(diǎn)。①實(shí)驗(yàn)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(shí)，負(fù)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(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率選取是有講究的，因此需要先經(jīng)過較好的預(yù)習(xí)和分析環(huán)節(jié)。②在一定的輸入頻率下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格是二維及以上的。因?yàn)閮?nèi)阻抗包括電阻分量和電抗分量，負(fù)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(fù)載Z一端看，就相當(dāng)于原內(nèi)阻變?yōu)?，但此處要注意的是雖然內(nèi)阻是純電阻，但輸入信號(hào)須為交流信號(hào)。

二、實(shí)驗(yàn)效果與討論

為了驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的效果，以圖1中開關(guān)SA2閉合即接入電感為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。考慮到實(shí)際使用的實(shí)驗(yàn)元器件數(shù)量和容量的限制和實(shí)驗(yàn)的實(shí)際效果，仿真時(shí)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(jì)算有當(dāng)Z中RL=1KΩ，且C=10nF時(shí)，負(fù)載上過得最大有功功率0.25mW。而MULTISIM8仿真測(cè)試結(jié)果如表1所示，由表可見實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好的符合定理本身。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中尚有幾點(diǎn)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(shí)際測(cè)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(huì)使結(jié)果有一些偏差并帶來一些數(shù)據(jù)相對(duì)大小的不確定性，這也正好說明了綜合性實(shí)驗(yàn)中多種實(shí)驗(yàn)方式比較的重要性和趣味性。

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

3.嚴(yán)格來說，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍舊只是一種不完整的窮舉逼近。而且負(fù)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(fù)雜，實(shí)驗(yàn)還是鼓勵(lì)嘗試。當(dāng)頻率或元件參數(shù)改變時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果也將發(fā)生變化，因此實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備至關(guān)重要。

三、總結(jié)

論文以最大功率傳輸實(shí)驗(yàn)為例探討了電路基礎(chǔ)或電路分析課程中綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置方法。同時(shí)對(duì)該綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)置中的關(guān)鍵問題和注意事項(xiàng)等進(jìn)行了說明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中可以設(shè)置綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可行性，為在該課程中設(shè)置綜合性實(shí)驗(yàn)提供了有益的借鑒思路和嘗試。

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基金項(xiàng)目：浙江省教育技術(shù)規(guī)劃課題（項(xiàng)目編號(hào)：JB120）

作者簡(jiǎn)介：呂偉鋒，講師，博士，主要從事集成電路CAD及電路分析及實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究。