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文档简介
1、电路基础综合性实验设计探究摘要: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
2、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34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
3、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:实验内容的综合性;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
4、、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。、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
5、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lo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=uoc2/4roo为该实验设计的数据表格如 表1所示。实验中须注意两点。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
6、戴维南等效电路,以增加实验的综合性。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二rs+jxs, zs固定,rs为正,负载阻抗zl=rl+jxl=|zl|z4)zo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= ,称共觇匹配。若阻抗 角ez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
7、含电容或电感。此时实验中须另外注意两点。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。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
8、,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iv,频率15.9khz正弦交流电源,内阻ro=1kq,电感 l=10miio根据理论计算有当z中rl=1kq ,且c=10nf时,负 载上过得最大有功功率0. 25mwo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,
9、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
10、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。参考文献:1 舒洪.现代电路技术实践教程m.北京:北京邮电大 学出版社,2007, 8.2 黄大刚,刘毅平,朱连津电路基础实验m.北京: 清华大学出版社,2008, 11.3 吕伟锋,董晓聪电路分析实验m.北京:科学出版 社,2010, 5.4 王光义.实验教学理念与创新能力培养j.实验室 研究与探索,2008, 27 (8): 76-78.5 张庆新,李一波,许谨.改革实验教学体系建立综合 性实验室j.实验室研究与探索,2007, 26 (8): 116-11
11、8.6 胡仁杰.为创新人才培养营造综合性实践环境j. 电气电子教学学报,2003, 25 (6): 82-84.7 罗正祥提高实验教学地位,培养学生创新能力j. 实验室研究与探索,2006, 25 (6): 589-591.8 王勇,宋万年.改进综合性、设计性实验考核办法提 高学生实验能力j.实验技术与管理,2006, 23(4): 105-107.9 奎丽荣,张丕进,周红,等关于电路原理开放与设 计性综合实验的一些探索j.实验技术与管理,2006, 23(3): 86-87.10 谨海霞,李平,王晖,等电路实验教学的研究与 实践j.中国电力教育,2012, (8): 98.11 罗正祥理论基础与工程实践并重,培养创新型人 才j.实验技术与管理,2006, 23 (2): 1-4.12 胡建萍,马金龙,王宛苹,等电路分析m.北京: 科学出版社,2006, 8.13 李瀚茹.简明电路分析基础m.北京:高等教育出 版社,2002, 7.14 charles k.alexander , matthew n. 0. sadika. fundamen tals of elec trie circu it s m.北京: 清华大学出版社,2004, 5.15 孙浩,
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