EDA技术融入电工学课程的探索

时间：2024-05-22

郝骞，李晓明，杨风，刘琪芳

（1.中北大学国家级电工电子实验教学示范中心，山西太原030051；2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030024；3.山西农业大学信息科学与工程学院，山西太原030801）

0 引言

“电工学”是一门面向非电类专业学生的重要技术基础课程，其内容既包括电路理论、磁路分析、电子技术等偏理论性知识，又包括电机学、可编程控制器（及继电接触器控制系统）、电工测量等偏实践性部分；具有知识面宽，实践性强的特点［1］。EDA是Electronic Design Automation，即电子设计自动化。EDA技术是指使用EDA工具软件，进行电路电子设计的一种电子产品设计方法。EDA技术具有花费少、效率高、周期短、功能强、应用范围广等诸多优点。EDA工具软件种类较多，这里以与电工学教学紧密结合的Pspice、Multisim和LabVIEW这三种软件为例，通过实例展示它们在电工学教学中的有效应用，旨在介绍如何加强EDA技术在电工学教学过程中的应用，达到进一步促进电工学教学改革的目的。

1 EDA技术与电工学课程的融合

随着计算机的普及和应用，将EDA技术的设计思想真正融合到电工学课程的理论、实验及创新实践的各个教学环节中，既全面提高了电工学课程的教学效果，又传授了电路电子设计的新理念和新方法，使得电工学教学和EDA技术教学相得益彰。

1.1 理论教学的融合

Cadence公司的Pspice软件，是世界上应用最广的计算机仿真软件之一，Pspice软件集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字／模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能，它可以对众多元器件构成的电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析和蒙特卡罗（Monte Carlo）分析及最坏情况（Worst Case）分析。例如，利用Pspice软件的直流分析功能，对直流电路进行分析。如图1所示，在0～20范围内，调节电压源的源电压，观察负载电阻的电压变化。画好电路图，设置仿真类型为DC Sweep直流扫描分析，执行Analysis→Simulate命令或单击图标，调用PspeceA／D程序对当前电路仿真计算。在波形显示模块Probe环境下得到了负载R6的电压与电压源V2的关系如图2所示。

图1 直流电流电路

图2 负载R6的电压与电压源V2的关系

通过上述实例们可以看到在课堂教学中使用EDA技术，有助于学生对抽象概念和规律的理解，通过计算机仿真所表现的直观而清晰的现象，使较为抽象的概念转变为直观而形象的感性认识，提高了学生学习电工学的兴趣，达到了事半功倍的教学效果。

1.2 实验教学的融合

Multisim是专门用于电路仿真和设计的电子设计自动化软件.具有界面直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点。三相电路是日常生活和生产中应用广泛的电路系统，是电工学理论中的重要部分，但是因为三相电路的电压较高，对实验人员可能造成一定的危险，同时由于某些故障性实验可能会对元器件造成损伤，因此对三相电路的实验、实习较难以实施。应用Multisim对三相电路系统进行仿真不仅可以得到与真实情况相同的结果，而且更加直观形象，同时避免故障原因对元器件造成的损伤，节约了实验成本，提高实验人员的安全性［2］。

（1）对称三相电源电压测量：双击图3中示波器XSC1图标，可得对称三相电源电压波形如图4所示。移动示波器上的蓝色指针到A相得峰值处，图中标尺显示A相的最大值电压为311.096V，三相电压的相位差均为1200，测量结果反映了三相电源的基本特征，测量结果和理论分析一致。双击图3中万用表XMM1，可得对称三相电路Y－Y接法中线电流为0，如图5所示。说明对称三相电路采用Y－Y接法时，电源中性点和负载中性点是等电位的。

图3 对称三相电源电压测量

图4 对称三相电源电压测量仿真结果图

（2）二瓦法测三相电路功率：三相对称电路功率测量电路如图6所示，瓦特表XWM1和XWM2分别显示值为725.979W，负载功率：

图5 对称三相电路Y－Y接法中线电流

图6 三相对称电路功率测量电路

理论计算，负载功率：

仿真结果说明与理论运算基本一致。

1.3 创新实践的融合

创新实践，是加强学生工程实践能力和创新能力的培养的重要环节。它要求创新实践题目具有综合性、设计性和创新性。为此，我们借鉴全国大学生电子设计大赛的经验，根据学生专业基础课程学习情况和课程实验的表现，按照优势互补、自愿结合的原则，选取4～5名学生组成一个小型团队完成创新实践。以小型团队模式培养学生的自我实践和创新能力。在设计过程中鼓励学生发挥主观能动性、运用多种EDA工具软件自行设计电路、系统分析、完成创新实践任务。这里以2008年山西省大学生创新实验项目——《基于LabVIEW的电机试验系统的设计》为例来进行说明。该项目以LabVIEW 8.2为软件开发平台，以三相异步电动机的数学模型为基础，对三相异步电动机进行整体虚拟仿真。该虚拟实验系统不仅可以实现对三相异步电动机的工作特性和机械特性的仿真，而且可以实现对电机运行时三相电压、电流的实时采集显示以及转速和频率的测量［3］。图7为该虚拟实验平台整体设计流程图。图8为三相异步电动机机械特性子项目的降电压机械特性仿真图。由图8可知，当定子相电压Us发生变化时，n1不发生变化，即理想空载点不变。Tm和Tst均与Us成正比，S不发生变化，所以当Us上升时。临界工作点向右平移。这与三相异步电动机的实际机械特性完全吻合。图9为负载功率因素查询图，它主要是根据实际采集的频率和负载功率因素的关系拟合出“频率—负载功率因素”曲线图，可以很好的反应出在不同频率下负载功率因素变化的情况。

图7 虚拟实验平台整体设计流程图

图8 降电压机械特性仿真图

图9 负载功率因素查询图