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施熊
9 years ago
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1 工程科技與教育學刊第一卷第一期民國九十三年七月第 87~11 頁模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究國立高雄應用科技大學電機工程系副教授 [email protected] 摘要電機學門之教學基礎主要建立在電路分析能力之訓練上, 為達成學習過程容易實現及學習內容接近實用, 藉由電腦輔助模擬將是一極佳之工具本文探討利用模擬軟體 PSpice 規劃及編撰一系列電路分析與模擬實習之教材, 內容包含線性電路模擬與非線性電路模擬, 其中特別強調分析過程彈性化實習內容偏重實用導向探討電路不刻意安排能手算進行模擬結果可以相互比較驗證經由此一研究與課程規劃, 將可進一步提升電機系學生之電路分析與設計能力, 並建立其電機專業學科之學習基礎, 達成理論與實用合一之教學目標關鍵詞 : 電路模擬電腦輔助分析 PSpice 電機教學 1. 前言電機工程領域中最重要之基礎課程當屬電路學 ( 或稱電路分析電路理論 ) 一門課不論是電力學程控制學程電子學程或者通信學程等等都需要首先具有電路分析之基本能力, 進而才能進入系統分析與設計之學習 [1-3]; 而系統分析與設計之最終對象, 也常常是以電路組態型式呈現, 其間之差異主要在於簡易與繁雜, 或者小電路與大電路之區別而已各大學電機系為強調電路學之重要性, 普遍會將其列為必修課程, 分為兩學期六學分, 而研究所入學考試或高考亦均以其為必考科目然而在大學低年級層級中, 電路學之教學往往僅只強調手算可以進行之練習, 因此舉例分析之電路, 一般均極為簡單不符實際, 甚至元件參數還刻意安排, 使其容易著手計算, 此種教學方式雖然簡單, 但可能造成學生錯誤之觀念, 往後在實際工作場合下, 將無法分辨實際與演練電路間之不同, 正確與刻意安排參數間之差異, 實用與理想電路結構間之區分, 因此會有以非為是, 以理想當實際 ( 例如設計 1F 電容,1H 電感之電路 ), 甚至對正確產生懷疑 ( 以為電路元件必為整數值, 電路結構必然單純串並聯, 或只含單種電源等 ) 的混淆學習結果

2 88 近年來電腦普及應用後, 在許多科技研究發展上產生莫大之助益, 尤其是工程模擬應用, 不但節省了龐大的物料零件之花費, 縮短了冗長的雛型試驗之時間, 更提供一彈性化的分析設計之方法, 而在電路分析與設計應用上, 電腦輔助設計之強大功能更是展露無遺電腦輔助之電路分析與設計, 主要是藉助數值計算之方法與電腦程式強大之計算功能 [4-6], 然而在大學階段之電路相關課程學習中, 若再加入數值方法及程式設計之基本能力要求, 則將模糊電路結構之分析和電路特性之瞭解, 使得學生在學習階段不易掌握重點, 更且產生懼怕排斥的心理許多的套裝程式已經被商業化協助電機工程設計人員進行大型甚至超大型電路之分析與設計工作, 例如 SPICE MATLAB EMTP 等, 其主要特點是電路分析與發展工作可以容易進行, 更換元件位置及元件參數具有彈性, 電路結構圖電路波形圖等均可快速繪製此一電腦輔助工具不但正在業界普遍被採用, 更可以在電路分析教學領域上產生莫大之效益 [7-11] 為了在課程教學中, 強調更接近實際的元件數值及電路結構, 甚至包含時變非線性或者分佈參數形式之元件 [,1], 使學生在學習過程中, 即具有正確之電路組態的觀念 ; 另外, 在進行電路之分析時, 除了直流交流穩態分析外, 包括暫態分析頻譜分析敏感度分析頻率響應等較為複雜的電路現象之探討, 都不易利用手算進行, 而硬體實作卻又費時僵化而缺乏彈性, 利用電腦模擬則極為容易達成, 此一實習方式對於教師教學學生學習及學校設備之限制, 均是最有利的, 而也是最符合工業界現時開發設計電路之程序要求本文即緣由上述考量, 希望針對大學部電路分析課程規劃設計一模擬實習之配套教材, 以改善學校教育與實際脫節之缺點, 使學生在進入工業界後, 能夠有正確的電路觀念與分析能力迎接挑戰. PSpice 模擬軟體 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 為美國加州大學柏克萊分校的學者於 197 年代為了日益複雜的積體電路模擬分析而設計的軟體,PSpice 則為 MicroSim 公司於 1984 年依據 SPICE 改寫使其能在 IBM 個人電腦上執行之模擬軟體, 原為 DOS 版僅能接受文字檔輸入及輸出模式, 後來改為 Windows 版本, 並加入前端電路圖繪製工具 ---Schematics( 新版本為 Capture), 使其可以接受電路圖檔之輸入模式, 也加入後端波形圖繪製工具 ---Probe, 使其模擬結果可以波形圖方式呈現, 因此成為一人機介面極佳之高度整合性電路模擬軟體 [13] PSpice 之優點為其內含許多的工業用類比及數位電子元件模型, 並且提供免費的評估版軟體, 雖然功能上有部分限制, 但對於學校教學利用及學生在家練習非常方便 PSpice 有四種基本模擬分析型式可以選擇 : Bias Point 直流偏壓操作點分析

3 模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究 89 DC Sweep 直流掃描分析 AC Sweep/Noise 交流掃描 / 雜訊分析 Domain(Transient) 時域暫態分析在此四種基本分析上可以再加上其他分析要求, 譬如在 Bias Point 分析上可再加上轉移分析 (.TF) 敏感度分析(.SENS) 溫度掃描(.TEMP) 等 ; 在 DC Sweep 分析上可再加上巢狀掃描 (Nested sweep) 溫度掃描(.TEMP) 參數掃描(.PARAM) 統計分析(Monte Carlo Worst case) 等 ; 在 AC Sweep 分析上可再加上雜訊分析 (.NOISE) 溫度掃描(.TEMP) 參數掃描 (.PARAM) 統計分析(Monte Carlo Worst case) 等 ; 而在 Domain(Transient) 分析上可再加上傅立葉分析 (.FOUR) 溫度掃描(.TEMP) 參數掃描(.PARAM) 統計分析 (Monte Carlo Worst case) 等目前在市面上已有許多介紹 PSpice 軟體的書籍, 但多偏重在電子元件之基本分析與軟體說明, 另原文版電路學教科書也有許多附有 PSpice 分析電路之範例光碟, 但多偏向書本習題解答之驗證利用 [7] 本文則規劃以 PSpice 為分析工具, 編排一序列的模擬實習教材, 但迥異於一般市售書籍, 並不以介紹 SPICE 之使用方法或者電子半導體元件之模型為內容, 而是以電路分析與設計為導向, 希望藉由 PSpice 此一軟體工具, 協助學生驗證與思考電路學曾經學習過之課程內容, 並依此為基礎, 發展與探討更深一層的電路結構, 這些電路可能不易手算進行可能較接近實際也可能較難以實作接線完成, 但利用 PSpice 模擬軟體卻可以很容易而且很有彈性地進行分析與學習 3. 電路學理論課程之限制與困境根據以往教學之經驗, 學生在電路課程學習上, 對於基本電路之計算及基本定理之應用求解均可著手進行, 然而計算所獲得之資訊代表意義, 電路元件參數改變所引起之效果, 甚至同一電路中不同元件端點特性之關係等則比較不易瞭解, 而且習作之電路均只包含手算可以進行 ( 三個節點或網目以下, 元件參數整數或中等大小, 元件特性關係單純固定 ) 之電路, 如果節點或迴路數目較多, 元件參數接近實際或可能變化, 頻率範圍較為寬廣多樣, 則無法進行學習探討已經修讀過電路學必修課程之學生, 在此一學習背景下, 如何接受更實際更可行的電路分析與設計能力訓練, 以迎合業界現場需求, 將是課程設計上的一大挑戰以簡單之 RLC 二階電路為例, 在圖 1 電路中, 學生可以利用手算方式判斷出電路之阻尼狀態, 然而電路中電阻值變化所引起電路之阻尼效果, 電感電容變化所引起電路之振盪響應, 甚至電源由直流改為交流, 而電壓幅度相角不同所造成之影響等, 均不易利用手算重複計算, 不易利用實際元件連接試驗, 更重要的是無法清楚觀測比較相互間之不同 ; 另外, 如果給予電路工作要求, 譬如達到穩態時間限制超越量限制振盪頻率偏移等, 或者考慮

4 9 實際電容含有漏電阻, 實際線圈含有繞組電阻, 甚至耐壓飽和等限制時, 手算方式根本無法處理, 更遑論結構不像這麼單純理想的 RLC 串聯電路了這些問題在本文之課程設計上將特別強調, 期能使學生在既有的基礎上, 藉助電腦軟體工具, 獲得完整之電路動作概念和實際的電路結構之思考與設計學習 i R L v s C 圖 1 RLC 二階電路 4. 電腦輔助電路模擬課程之規劃與內容利用 PSpice 軟體為工具之電腦輔助電路模擬課程可分為線性電路模擬與非線性電路模擬兩部份, 在電路學之必修課程進行中可同時開設線性電路模擬選修課, 在後續進階課程上再開設非線性電路模擬選修課線性電路模擬主要針對線性元件組成之直流及交流電路, 其穩態與暫態之特性進行探討, 學生藉由此課程之學習一方面可以驗證課堂上之理論學習, 並且可以進行電路之分解重組變更等工作, 以設計一全新而符合要求之實用電路, 實習項目包含下列各大項 : 1. 直流穩態電路分析 : 直流運作點分析 ( 節點電壓支路電流元件功率計算 ), 直流轉移分析, 敏感度分析直流掃描分析等. 直流暫態電路分析 : 一階 RL 或 RC 電路暫態及時間常數影響, 二階串聯或並聯 RLC 電路之阻尼振盪現象, 含開關動作之直流暫態問題等 3. 交流穩態電路分析 : 單相電路相量電壓電流計算及等效電路量測, 三相電路平衡與不平衡計算及故障分析等 4. 諧振電路及頻率響應分析 : RLC 串聯或並聯電路頻率響應分析, 元件參數改變對於諧振電路之影響, 非理想 RLC

5 模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究 91 電路之諧振現象等 5. 交流暫態電路分析 : 交流相位幅度頻率與波形之關係,RL 電路電源投入相角之暫態突波影響, 電路自然頻率與投入電源頻率相對關係引起之暫態振盪現象等 6. 諧波影響及傅立葉分析 : 多電源整數倍諧波波形關係模擬, 非弦波波形之諧波傅立葉分析, 整流電路之諧波頻譜分析等 7. 耦合線圈與理想變壓器電路分析 : 含耦合線圈電路之相量域分析交流時域分析直流暫態分析, 含理想變壓器電路之負載特性分析等 8. 雙埠電路參數量測及等效電路應用 : 阻抗導納混合傳輸參數量測及其等效電路之應用分析等非線性電路模擬主要針對非線性元件及 OP 組成之應用電路, 由於這些電路手算分析極為複雜困難, 分析結果又不易以數值單純描述, 因此如何利用電腦輔助工具進行模擬分析, 以探討元件和電路之行為與特性, 將是課程規劃之重點, 實習項目包含下列各大項 : 1. 非線性電阻模擬分析 : 溫控 ( 熱敏 ) 電阻流控與壓控電阻片斷線性等效電阻 ( 含負電阻 ) 頻率相依( 集膚效應 ) 電阻時變電阻等. 非線性電感及電容模擬分析 : 電流控制電感電壓控制電容等 3. 變壓器之磁滯與飽和分析 : 電感器之飽和分析互耦電感之模擬變壓器之磁滯與飽和等 4. 高頻傳輸線分析 : 無損失 ( 理想 ) 傳輸線有損失傳輸線互耦傳輸線等 5. 電路可靠度統計分析 : 蒙地卡羅 (Monde Carlo) 分析最壞情況 (Worst-Case) 分析等 6. 濾波器電路模擬分析 : 被動低通高通帶通帶拒濾波器, 主動濾波器不同結構模擬, 濾波器頻率響應分析等 7. 電子控制器模擬分析 : 比例 P 積分 I 微分 D 控制, 比例積分 PI 控制, 比例積分微分 PID 控制等

6 9 在每一實習項目中, 其內容涵蓋相關知識模擬電路說明與部分結果模擬實測要求計算驗證等, 並附加相關進階思考問題 ; 其中, 從電路圖之建立模擬過程之控制進行模擬結果之觀測判斷與分析討論等皆要求達成練習, 而課程學習成果之評斷除了上機模擬實測外, 特別強調模擬結果之書面報告整理 5. 線性電路模擬之範例以直流暫態電路中之二階 RLC 串聯電路分析為例, 圖為其模擬電路結構此項目主要探討電路之阻尼振盪與元件參數值間之關係, 學生在理論課程已瞭解此電路之方程式為 dυc RC dt d υc + LC + υc = V dt s (1) 其中 V s 為直流電源之電壓值,v c 為電容兩端電壓 R1 L1 n1 R L n R3 L3 n3 V1 1 ohm 1mH IC = ma C1 1uF IC = V 1 ohm 1mH IC = ma C 1uF IC = V3 1 ohm 1mH IC = ma C3 1uH IC = 圖 RLC 串聯電路之直流暫態模擬電路圖若定義參數 R α = 為阻尼係數 (Damping coefficient) L 1 ω o = 為自然諧振徑頻率 (Natural resonant radian frequency) LC 則電路之響應分為四種狀況 : 當 α>ω o 時, 電路為過阻尼 (Overdamping) c c s t 1 s t 1 υ ( t) = υ ( ) + A + A () 其中 s1, s = α ± α ωo 為兩負實數當 α=ω o 時, 電路為臨界阻尼 (Critical damping)

7 模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究 93 c c αt 1 + D αt υ ( t) = υ ( ) + D t (3) 當 α<ω o 時, 電路為欠阻尼 (Underdamping) αt υc ( t) = υc ( ) + B cos( ωdt + θb ) (4) 其中 ω d = ω o α 稱為有阻尼諧振徑頻率電路呈現有阻尼振盪, 開始時振盪幅度較大, 隨後越來越小, 最後消失當 α= 時 ( 串聯電路 R=, 並聯電路 R= ), 電路為無阻尼 (Dampless) υ t) = υ ( ) + C cos( ω t + θ ) (5) c( c d c 電路呈現持續振盪現象這些理論分析與計算學生皆可手算執行, 但計算結果所代表之物理意義及參數變化影響之相互比較可能無法知道此模擬實習要求進行 RLC 串聯電路在過阻尼欠阻尼與臨界阻尼情況下之響應比較, 在過阻尼時電阻變化所產生之阻尼效果對電路響應達到穩態時間長短之影響, 在欠阻尼時電阻變化所產生之阻尼效果對電路響應超越量大小之影響, 在欠阻尼時電容電感變化對電路阻尼振盪頻率之影響, 電容與電感之初始儲能不同或電源電壓不同時在響應上產生之影響等, 圖 3 至圖 5 為其部份結果, 從這些波形與相關模擬要求一定可以幫助學生清楚的了解與思考 RLC 電路運作之特性 1 1 5V s 5ms 1ms V(N1) V(N) V(N3) s 5ms 1ms V(N1) V(N) V(N3) (a) 過阻尼欠阻尼與臨界阻尼比較圖 3 電阻 R 對於電路之阻尼效應 (b) 過阻尼時 R 對響應達到穩態時間長短之影響

8 s.5ms 5.ms V(N1) V(N) V(N3) s.5ms 5.ms V(N1) V(N) V(N3) (a) 欠阻尼時 R 對響應超越量大小之影響圖 4 欠阻尼狀況下 R 及 C 改變之影響 (b) 欠阻尼時電容變化對阻尼振盪頻率之影響 s.5ms 5.ms s.5ms 5.ms V(N1) V(N) V(N3) V(N1) V(N) V(N3) (a) 電容初始儲能不同之影響 (b) 電感初始儲能不同之影響圖 5 初始儲能不同對於電路響應之影響再以諧波影響及傅立葉分析中之含倍頻諧波電路為例, 圖 6 為其模擬電路結構此項目主要探討含有諧波之電路, 當諧波含量不同時, 其所造成波形畸變之現象及諧波頻譜分析比較, 此電路中三串聯電壓源代表一可能含二或三次諧波之等效電源, 可表為 vs = v1 + v + v3 = Vm 1 cos( w1t + θ 1) + Vm cos( wt + θ ) + Vm3 cos( w3t + θ3 ) (6) 其中 V m w θ 分別代表各弦波電源之 w 1 = π f 1, f1 = Hz 值徑頻率及相角, 且 v 1 代表基本波, 徑頻率此一電源含內阻 1KΩ 並分別加到以基本波頻率 (Hz) 計算阻抗皆為 1KΩ 之 R L C 負載上, 若以重疊定理計算, 學生可以獲得負載電流與電壓之相量值, 但各諧波成份改變及負載不同造成之總波形畸變與總諧波含量之分析卻不易手算求得

9 模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究 95 n13 R1 n1r n3 R nr n33 R3 n3r 3kHz 3.33V deg khz deg Hz 1 deg V13 n1 V1 n11 V11 R11 3kHz 3.33V deg khz deg Hz 1 deg V3 n V n1 V1 159.mH L1 3kHz 3.33V deg khz deg Hz 1 deg V33 n3 V3 n31 V31.159uF C31 圖 6 多電源複頻電路之諧波分析電路本模擬實習要求進行含基本波及倍頻諧波源之電路, 當其諧波之相角不同時諧波之幅度不同時諧波之階次不同時電路之組成元件不同時, 其電壓電流波形之畸變與諧波分析比較圖 7 為含三次諧波且相角為 o 與 18 o 之電阻電路其輸出電壓波形之畸變情形, 圖 8 為電路之組成元件不同時 (R+R R+L R+C) 在含三次諧波與同時含二三次諧波之電路其輸出電壓波形之畸變比較 s.ms 4.ms s.ms 4.ms V(N1R) V(N1R) (a) 諧波相角為 o 負載端電壓波形 (c) 相角為 18 o 負載端電壓波形 1 (1.K,5.81) 1 (1.K,5.81) 5V (3.K,1.6633) 5V (.9973K,1.6454) Hz.KHz 4.KHz 5.KHz V(N1R) Frequency Hz.KHz 4.KHz 5.KHz V(N1R) Frequency (b) 諧波相角為 o 負載端電壓頻譜圖 (d) 相角為 18 o 負載端電壓頻譜圖圖 7 含三次諧波之電阻電路輸出電壓波形之畸變情形

10 s.ms 4.ms s.ms 4.ms V(N1R) V(NR) V(N3R) V(N1R) V(NR) V(N3R) (a) 含三次諧波 (b) 同時含二三次諧波圖 8 電路之組成元件不同時諧波對電路輸出電壓波形之影響比較 6. 非線性電路模擬之範例非線性電阻模擬分析, 此實習項目提供學生學習對不同性質之非線性電阻特性如何進行描述與模擬, 並由模擬結果比對理論之意含, 由此學習學生不但可以暸解引起電阻值產生非線性變化之可能因素, 也可以應用這些基本元件於包含非線性電阻之更大系統的模擬分析圖 9 為電流控制 ( 或相依 ) 電阻器之特性模擬圖, 一般之線性電阻其端電壓與電流之關係符合歐姆定律, 即 v( t) = R i( t), 其中 R 為定值, 但圖 9(a) 中電阻器之電阻值並非定值, 而係隨著 i(t) 而變化, 其 v-i 關係為 v ( t) = 1 + i 3 ( t), 此處利用 PSpice 類比行為模型 (ABM) 元件之相依電壓源 EVALUE 進行數學式的描述, 圖 9(b) 為線性三角波電流流經此電阻而壓降卻為非線性變化之模擬結果 in1 R1 out1 PER = 1ms PW =.1ms TF = 5ms TR = 5ms TD = I = 5A I1 = -5A I1 1 E1 EVALUE IN+ OUT+ IN- OUT- 5.A A SEL>> -5.A I(E1) EXPR = 1+I(E1)*I(E1)*I(E1) (a) 電路圖 - s ms 4ms 6ms 8ms 1ms V(OUT1) 圖 9 電流控制電阻模擬 (b) 電阻電壓電流關係

11 模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究 97 圖 1 則是片斷線性等效 (Piecewise linear approximation) 電阻之特性模擬圖, 在半導體等效模型中經常需要此一元件, 尤其含有負電阻特性之情況, 如特種電晶體突波吸收器 (ZNR) 螢光燈管等[14-16], 以往進行此一分析需要複雜之線性元件等效合成, 此處利用 PSpice 之 EVALUE 或 ETABLE 元件功能, 即可輕易達成相同的作用例如一含負電阻特性之非線性電阻 ( 單接合電晶體 ) 其 v i 關係為 v = 5k*(i+1.9m) -9.4k*(i+.5m)*STP(i+.5m)+3.5k*i*STP(i)+.9k*(i-4m)*STP(i-4m) 其中 STP 代表階波函數 (Step function) 圖 1(b) 為其非線性電阻 v i 曲線之模擬結果 in R out PER = 11ms PW =.1ms TF =.1ms TR = 11ms TD = I = 1mA I1 = -ma I 1 E IN+ OUT+ IN- OUT- EVALUE 15V 1 5V -5V -ma A ma 4mA 6mA 8mA V(out) I(E) (a) 電路圖 (b) 電阻電流與端電壓波形圖 1 片斷線性等效電阻模擬變壓器之磁滯與飽和分析,PSpice 所含非線性鐵心之變壓器與電感器其模型是以 Jiles-Atherton model 為代表 [17,18], 其中含有數個和鐵心之材質與變壓器之構造有關之參數可能影響磁滯曲線之形狀, 也因此影響此變壓器在電路中之行為表現, 此項實習即探討含磁滯與飽和性質之變壓器與電感器如何進行模擬分析, 由此實習可以瞭解材質與結構對於磁滯迴線之影響, 進而可以分析含磁滯或飽和之變壓器所在電路之電壓或電流其畸變之情形圖 11 為電力用電抗器特性模擬及其 B-H 曲線結果, 圖 1 為高頻用鐵粉心 (Ferrite core) 變壓器特性模擬及其 B-H 曲線結果

12 98 VOFF = VAMPL = 1 FREQ = 6Hz V1 in1 K K1 Kbreak COUPLING = 1.model Kbreak CORE (MS=14E3 A=6 K=18 C= AREA=7 PATH=5 GAP= PACK=1.) R1 5 (a) 電力用電抗器 out1 L1 1 匝 K 圖 11 含磁滯與飽和之電抗模擬 -K -4 4 B(K1) H(K1) (b) 電抗器 B-H 曲線 VOFF = VAMPL = 1 FREQ = 6Hz V in R 5 out K58T5_3C8 TX1 R4 R3 1K 1MEG.model K58T5_3C8 Core(MS=415.K A=44.8 C=.411 K=5.74 Area=1.17 Path=8.49) (a) Ferrite core 變壓器圖 1 含磁滯與飽和之變壓器模擬 -1K -3 3 B(TX1) H(TX1) (b) 變壓器 B-H 曲線高頻傳輸線分析, 高頻信號傳輸問題在許多電機相關領域上佔有重要地位, 如通信系統數位傳輸電力線突波串音干擾等 [19,], 學生在此一實習項目中可以學習以分佈參數模型表示之傳輸線, 其端接負載阻抗對傳輸波形之反射效應, 並學習到多線路傳輸之間由於電感電容耦合所引起之相互影響圖 13 為特性阻抗 Zo=8Ω 之理想傳輸線端接不同負載阻抗 (Z L =8Ω 8Ω 8Ω) 所產生之突波電壓模擬, 低負載阻抗近似短路, 電壓幾乎不會反射而電流會很大, 負載阻抗等於特性阻抗之線路則如同無限長傳輸線, 電壓電流皆不會反射, 負載阻抗很高時將形同開路, 電壓由於反射加成而產生極高突波圖 14 為兩互耦傳輸線干擾現象模擬, 其中上方之傳輸線含有脈波信號, 由於兩線路間之耦合關係, 會在下方無信號源之傳輸線上產生電磁干擾, 此問題在電力線與鄰近電話線間數位 IC 之輸出接腳間通訊線路間都可能發生, 圖 14(b) 為信號源與其產生之干擾波形, 由此一基本模擬可以進一步探討線路之參數對於信號傳輸之影響

13 模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究 99 V1 = V = 6kV TD =.1m TR =.1u TF =.1u PW =.m PER =.4m in V9 T14 Z = 8 TD = u Overhead Line out PARAMETERS: Rvar = 8 {Rvar} RL 1.MV -1.MV s 1us us 3us 4us V(out) (a) 傳輸線端接不同負載阻抗圖 13 無損耗傳輸線端接負載之影響 (b) 負載端電壓波形. V in31 in3 R11 T3 in1 out1 in out Tcoupled R = 7.5 L = 4.9n C = 6p G = 1m LM =.9n CM = 3p LEN = 1 out31 out3 R R V(in31) V(out31) SEL>> -1. s.5ns 1.ns 1.5ns.ns V(in3) V(out3) (a) 兩互耦高頻傳輸線路 (b) 信號線與鄰近線之端點電壓波形圖 14 互耦傳輸線之串音干擾 7. 結論電路學為電機工程學門的最基礎課程, 所有後續的理論學習專業研究與工程應用等都需要仰賴扎實的電路基本觀念的建立 ; 然而在課堂上之課程講授與作業習作, 受限於手算能力與時間限制, 都只能停留在理想參數及簡單結構之電路學習, 這一教學方式侷限了學生之學習成效, 無法培養具有實際電路分析與設計能力的教學需求本文說明如何藉助模擬軟體 PSpice 為教學工具, 編撰有關線性與非線性電路之模擬實習教材, 以提升學生電路分析與設計之能力這些課程內容特別強調分析過程彈性化實習內容偏重實用探討電路不刻意安排能手算進行模擬結果可以作為理論學習之對照驗證所編列之教材已在本系進行四年以上之實際教學利用, 雖然作業要求份量高修課壓力重, 但學生反應非常好, 咸認課程學習後對於電路觀念有更清晰的瞭解, 對於電路分析與設計能力亦有顯著的提升效果

14 1 誌謝感謝國科會提供研究經費補助, 計畫編號 :NSC S-151- 參考文獻 [1] Nilsson, J. W. and S.A. Riedel, Electric Circuits, Sixth ed., Prentice Hall,. [] Chua, L. O., C.A. Desoer and E.S. Kuh, Linear and Nonlinear Circuits, McGraw Hill, [3] Nishi, T., Circuit Theory in Japan, IEEE Transactions on Education, Vol. 3, No. 3, 1989, pp [4] Jacob, J. M. et al, Evaluations in the Teaching of Electrical Circuit Analysis, Proceeding of 1 st Frontiers in Education Conference, West Lafayette, IN, USA, [5] Mastascusa, E. J., Computer- Assisted Network and System Analysis, John Wiley & Sons, [6] 劉濱達譯, 計算機輔助電路分析與設計, 茂昌圖書公司, 台灣,1989. [7] Rashid, M. H., Spice for Circuits and Electronic Using PSpice, Prentice Hall, [8] Prigozy, S. Novel Applications of SPICE in Engineering Education, IEEE Transactions on Education, Vol. 3, No. 1, 1989, pp [9] Gray, P. E. and G. P. Knziej, Computer Simulation and Circuit Analysis, IEEE Transactions on Education, Vol. 36, No. 1, 1993, pp [1] Hatzopoulos, A. A. Computer-Aided Circuit Analysis and Design Projects for Electronic Engineering Students, Engineering Science and Education Journal, 1999, pp [11] Cheung, W. N. Digital Simulation of Electrical Systems to Reinforce Laboratory Teaching, IEEE Trans. on Education, Vol. 4, No. 1, 1999, pp. -3. [1] Li and C Wang, On The Course Content of Nonlinear Circuits for Graduate Programs, IEEE Transactions on Education, Vol. 3, No. 3, 1989, pp [13] OrCAD PSpice User s Guide, Cadence Inc., Portland, USA,. [14] Santoro, R. P. Piecewise-Linear Modeling of I-V Characteristics with SPICE, IEEE Trans. on Education, Vol. 38, No., 1995, pp [15] Gan, K. J. et al, Simulation and Analysis of Negative Differential Resistance Devices and

15 模擬軟體於提昇電路分析與設計能力之教學研究 11 Circuits by Load-Line Method and PSPICE, Solid-State Electronics, Vol. 4, No. 1, [16] Sun, Y. PSpice Modeling of Electronically Ballasted Compact Fluorescent Lamp Systems, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1993, pp [17] Prigozy, S. PSPICE Computer Modeling of Hysteresis Effects, IEEE Trans. on Education, Vol. 36, No. 1, 1993, pp. -5. [18] Petrovic, P. et al, A Hysteresis Model for Magnetic Materials Using the Giles-Atherton Model, IEEE Systems Readiness Technology Conference, AUTOTESTCON '99, [19] Deutsch, A. Electrical Characteristics of Interconnections for High-Performance Systems, Proc. of IEEE, Vol. 86, No., 1998, pp [] Achar, R. and M. S. Nakhla, Simulation of High-Speed Interconnects, Proc. of IEEE, Vol. 89, No. 5, 1, pp

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