仿真软件在电工学中辅助教学探讨

廖 辉

（石河子大学 理学院，新疆 石河子 832000）

电工学是一门技术基础课，该课程的特点是内容广、原理多。在电工学的理论教学过程中，有大量的数学推理过程，公式的推导比较抽象，不直观［1］，使学生在听课的过程中很容易迷失在繁琐的数学分析过程之中。而EWB（electronics workbench）软件恰恰可以快捷搭建电路原理图，将抽象的规律和原理以直观、互动的方式在屏幕上展示给学生。教师在讲课的过程中可以很方便地借助实验进行基本规律和基本概念的讲解，进而消除学生学习过程中的困顿，提高学生的学习兴趣。

1 EWB软件简介

EWB软件是迄今为止使用方便、应用广泛的仿真软件之一，可以应用于模拟电路、数字电路的混合仿真［2－4］。EWB 是由加拿大Interactive Image Technologies公司于1985年开发的电子电路计算机仿真设计软件，称为“电子设计工作平台”或“虚拟电子实验室”［5］。EWB的内核是SPICE数／模混合仿真系统，软件界面简洁、友好［6］。在EWB内部提供了8 000多个电子元器件模型，在其模型库中有各种直流、交流电源，多种型号的电容、电阻、电感及变压器模型等。在EWB的仪器库中，提供了函数信号发生器、数字万用表、示波器、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪等仪器。还提供了14种分析工具、4种扫描分析［7］。

EWB选用的仪器和元器件与实际情况非常相近，相当于一个设备先进、功能完备的大型电子实验室。在使用EWB过程中，可以按照真实实验流程进行电路的搭建、测量，就如同在真实实验室一样，使用者只需用鼠标在元件库中选择实验所需电子元器件，从仪器库中选择测量仪器，按照电路原理图用鼠标点击连线，即可方便、快捷地搭建好一个可以运行的实验电路。激活仿真电源，EWB就会利用嵌入内核SPICE对电路进行模拟运行，电路运行结果可以直观地显示在虚拟仪器上［8］。

由于是仿真实验，使用者不用担心仪表仪器被损毁，可以放心完成各种实验电路的分析测量。使用者可以边选择、边测试、边修改、边分析，将实验与理论相对照，在调试、测量中学习，把实验与理论紧密地结合起来，加深对理论的认识［9］。

2 EWB仿真实验特点及优势

（1）不受时空限制。

（2）软件体积小、干扰少、仿真精度高。该软件大小不到20MB，便于携带和安装。仿真实验无需考虑周围真实环境的影响，其虚拟仪器库中包含有许多性能很好的虚拟仪器，如数字万用表的电流量程为0.0 1 μA—999kA，电压量程为0.01μV—999kV，双通道的数字存储示波器高达1 000MHz［10］，而这些指标在实际仪器中是难以实现的。高精度的仪器可以进一步降低实验误差，提高仿真精度。

（3）仿真实验直观，生动。可以将抽象的电工学概念和原理直观化、形象化，有利于突破难点、深化理解［11］。

（4）仿真实验安全，低成本。仿真实验不必直接接触强电，不用进行元件安装和锡焊操作，从而避免溅锡伤人、线路短路、触电等危险，保证实验的安全。仪器库所提供的虚拟仪器的图形与实物相似，测试结果也与实际调试基本相似，既节省了购买大量元器件和高档仪器的费用，又避免了仪器损坏和元件消耗，弥补了真实实验的仪器及经费的不足［10－11］。

（5）EWB非常适合电子电路训练。可以利用EWB丰富的元件库和仪器库搭建起更灵活的实验电路，仿真电路的实际运行情况，并可以熟悉常用电子仪器测量方法［12］。

3 EWB仿真软件在电工学教学中的应用举例

笔者结合电工学中基尔霍夫定律、戴维南定理以及元器件特性的教学内容，说明在电工学教学过程中使用EWB软件的优势和好处。

3.1 利用EWB软件辅助理解基尔霍夫定律

基尔霍夫定律包含两大定律，即基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。基尔霍夫第一定律也称为基尔霍夫电流定律（简称KCL），其内容是：对电路中的任一结点，流入此结点的电流等于从该结点流出的电流。基尔霍夫第二定律也称为基尔霍夫电压定律（简称KVL），其内容是：任一回路内各段支路电压的代数和为零。

在理论课上，由于原理图示毕竟是静态的，在讲授时只能借助于符号、箭头及数学公式，导致学生对基尔霍夫定律不能深刻理解和灵活掌握。而利用EWB软件在课堂上进行实时仿真演示，可以帮助学生更深入地理解这2个定律，提高学生学习电工学的兴趣。

首先，打开EWB软件，进入元件库并选择2个直流电源、5个电阻，进入仪器库选择多个电流表和电压表。用鼠标点击连线并修改相应元器件参数即可快速建立完成电路图（见图1）。

图1 基尔霍夫定律仿真实验电路图

检查电路连线，在连线没有任何问题的情况下，点击激活仿真电源按钮，EWB就会利用嵌入内核SPICE对电路进行模拟运行，电路运行结果可以直观显示在电流表和电压表上。

由运行仿真结果可知：电流表A1的读数为2.436mA，电流表 A2的读数为5.913mA，电流表A3的读数为2.434mA，电流表 A4的读数为3.479mA，电流表A5的读数为3.480mA。根据电路图，针对图中的每个结点及对应电流表的接线方向，可以很轻松地验证基尔霍夫第一定律。

运行结果图还显示：电压表V1、V2、V3位于电路图左边的小回路，而且电压表V1的读数为2.436V，电压表V2的读数为5.913V，电压表V3的读数为3.652V，该回路电源为12V。按照图中电压表的连线方向，可以很容易验证基尔霍夫第二定律。

图1所示电路图包含3个回路，其他2个回路验证方法相同。在课堂教学过程中，可以引导学生结合基尔霍夫定律的内容自己进行分析验证，还可以很灵活地更改电路参数及电路结构，动态地让学生理解基尔霍夫定律，加深学生对该定律的理解和掌握。

3.2 戴维南定理的软件辅助教学

戴维南定理是简化网络分析的一个重要定理，该定理特别适合于求解复杂电路中某一支路中的电流和功率问题。该定理指出：一个有源二端电阻网络可以用一个等效电压源来代替，等效电压源的电动势等于该网络的开路电压，等效电压源的内阻等于该网络的输入电阻［1］。

学习戴维南定理需要有一定的逻辑分析能力和良好的数学基础，尤其是分析复杂电路某一支路电流的情况。在用到等效电压源时，需要建立等效电路图，针对等效电路图建立数学方程，学生往往在等效过程中迷失在繁琐的数学分析和求解过程中。若利用EWB软件快速建立等效电路图，自动分析、计算等效电压源及其等效内阻，既可以避免繁琐的数学分析，领略该定理的精髓，也可以提高教学效率和效果。

可按照图2建立起戴维南定理仿真实验电路原理图。如果只想了解通过R3电阻的电流大小，按照戴维南定理，可以将除R3电阻以外的电路看作是一个有源二端网络。在演示时，将开关KC断开，即可构成一个有源二端网络。激活仿真电源开关，通过万用表可以直接测量出等效电压源电压为7.5V。

按照戴维南定理，在寻找等效电阻时，需将该有源二端网络中的电压源短路，电流源短路。在实验演示时，可以直接将开关KA拨至左边，开关KB拨至右边即可。从万用表中测量出等效电阻值为749.4Ω。这样，利用戴维南定理就可以将一个复杂的电路网络简化成简单的等效电压源和等效电阻构成的简单电路（见图3），进而得到待求电阻R3上的电流大小。

图2 戴维南定理仿真实验

图3 戴维南定理电路简化

3.3 提高负载功率因数的方法研究探讨

负载的功率因数低，会浪费大量电能，使发电设备得不到充分的利用。功率因数低的根本原因是电感性负载的存在［1］。在讲授功率因数这一课程内容的时候，可以利用EWB软件快速建立电路原理图，并进行仿真动态显示，通过更改元器件参数，体会并寻找提高功率因数的方法。

以日光灯电路为例做提高负载功率因数的实验，利用EWB建立电路原理图（见图4）。为了方便于演示，本实验电路中的参数设置如下：电源电压220V，50Hz，日光灯灯管用一个100Ω的电阻等效，镇流器阻值为100Ω，电感为1H。开关KA、开关KB和开关KC分别可以控制电路中的电容大小。交流电流表A1、A2和A3分别测量并显示日光灯支路、电容支路和总电路电流的大小。

激活仿真电源后，先将开关KA、KB、KC断开。仿真结果显示：电流表A1和A3测量值为585.4mA。当开关KA闭合后，电流表A1示数没有发生变化，A2示数为70.02mA，A3示数为527.4mA。当开关KA、KB、KC逐次都闭合后，发现电流表A1示数始终为585.4mA，没有发生任何变化，A2示数为210.1mA，A3示数为422.6mA。

图4 提高功率因数电路图

演示结果显示，总电流（A3所示）随着并入的电容增加而减小，但是日光灯灯管支路电流始终没有发生任何变化。因视在功率S＝UI，U 不变，始终为220V，但是总电流却逐渐减小了。这说明视在功率也相应减小，但是，日光灯支路的电流却没有发生任何变化，也就是说其消耗的有功功率不变。这说明，在保证日光灯正常工作的前提下，并入适当的电容，可以提高负载的功率因数。

利用EWB软件，可以实现师生互动，验证学生的想法，让学生自己进行电路分析，从中理解功率因数这一重要概念。与此同时，通过调节电路元器件参数，使得学生直观、形象地理解并入适当的电容是可以提高负载的功率因数的。此外，还可以让学生通过实验，自主探究并入电容的最佳值是多少，如何进行理论计算等一些问题。结合EWB软件，可以克服传统电工学教学中的困难，极大地调动学生自主学习、自主探究的动力和兴趣。

4 结束语

本文探讨了在电工学课程教学中如何利用仿真实验快捷、高效地辅助理论课教学。通过对3个实验的讨论，展现了利用EWB软件辅助教学的优点：可以方便地将实验室搬到实际的理论课堂上，在课堂上易于动态显示、互动仿真，灵活方便地修改电路，加深学生对电路结构和原理的理解，进一步提高学生的学习兴趣，提高课堂教学的效率和效果。

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［1］郭木森.电工学［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］赵世强，许杰，王兴亮，等.电子电路EDA技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

［3］谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路：线性部分［M］.4版.北京：高等教育出版社，1999.

［4］谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路：非线性部分［M］.4版.北京：高等教育出版社，1999.

［5］钟文耀.电路设计与应用［M］.北京：清华大学出版社，2000.

［6］熊振国.基于EWB平台的电子线路设计［J］.现代电子技术，2003（9）：33－34.

［7］李忠波.电子设计与仿真技术［M］.北京：机械工业出版，2004.

［8］李啟尚，赵丽.EWB仿真软件在电工电子教学中的应用［J］.考试周刊，2012（84）：125－126.

［9］夏江涛.EWB在数字电路课程中的应用［J］.巢湖学院学报，2007，9（3）：12－15.

［10］王海波.基于Multisim仿真软件的电工电子实践教学改革［J］.数字技术与应用.2011（9）：221－222.

［11］王志波.在电工电子教学中应用仿真技术的探索与实践［J］.职业技术教育，2012（1）：41－42.

［12］朱新芬.EWB在数字电子技术实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2008，25（8）：15－16.