二技電機系學生實務能力提昇之教育課程設計與研究---實用導向電路分析與模擬能力培育研究

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(1)行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告二技電機系學生實務能力提昇之教育課程設計與研究―子計畫一. 實用導向電路分析與模擬能力培育研究(Ⅲ) A Study of Practical Oriented Circuits Analysis and Simulation for Uplifting Practice Ability Education 計畫編號： NSC 90-2516-S-151-002 執行期限： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日計畫主持人：葉增雄國立高雄應用科技大學電機系計畫參與人員：陳昇華、劉佑任、陳偉成國立高雄應用科技大學電機系 well-established courses planing, the ability of circuit analysis and design for the learner will be uplifting, and the basic knowledge of electric related will be taught well. Also, it will achieve the teaching goal that combined the theory and practice within the courses.. 一、中文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，藉由計算機輔助模擬將是一極佳之工具。本計劃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、非線性電路與信號電路，其中特別強調分析過程彈性化，實習內容偏重實用導向，電路不必刻意安排能手算進行。本年度為計畫之第三年，探討主題為「信號電路分析與模擬」。經由此一研究與課程規劃，將可進一步提升二技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。. Keywords : Circuit Simulation, Computer Aided Analysis. 二、緣由與目的電機工程領域中最重要之基礎課程當屬〝電路分析〞(或稱電路學、電路理論)一門課。不論是電力學程、電子學程、控制學程、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；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。根據以往教學之經驗，學生在專科階段電路課程學習上，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[1]。進入二技後之學生，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，將是二技階段課程設計上的一大挑戰。. 關鍵詞：電路模擬、計算機輔助分析 ABSTRACT The teaching of electrical engineering education is based on the training of circuit analysis, where computer aided simulation might be a good tool for academic institutions with easy learning and approximate practice. In this project, the course contents of electric circuit analysis and simulation, included linear circuits, nonlinear circuits and signal circuits, will be outline and edit. These course contents have the distinctive features that the circuit analysis process is flexible, the circuit structures are realistic and the circuit response is not easy for hand calculated. This report presents the result of the project in third stage，the topic is “analyzing and simulation of signal circuits”. Through the 1.

(2) 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，許多的套裝程式已經被商業化以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、 PROTEL 等[2-4]，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、 PCB 佈線圖等均可快速繪製。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。為了在二技的課程教學中，強調更接近實際的元件數值及電路結構，甚至包含非線性元件、切換元件或信號產生與處理電路，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，除了穩態分析外，包括暫態分析、頻譜分析、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及觀察電路動作，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進行，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。本計畫即緣由上述考量，希望針對二技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。本年度計畫內容以「信號電路分析與模擬」為主要方向，計畫中藉助 PSpice 為軟體工具，編排一系列著重分析、思考與辨証之實用導向的實習教材提供教學利用。. 電路分析之觀點上，除了由元件階層（device level）進行微觀之分析方法外，由系統階層（system level）進行巨觀分析亦是一重要的方向，本計畫在此一階段充分利用了 PSpice 之類比行為模型（Analog Behavior Modeling, ABM）元件，進行雙向的分析比較，此一方法在研究與工業應用上是較為進階，但卻是不可或缺之利器。本年度計畫內容中之實習項目內容包含下列七大項目： 1. 信號產生電路模擬分析 2. 調變電路模擬分析 3. 被動濾波電路模擬分析 4. 主動濾波電路模擬分析 5. 濾波器設計與分析 6. 電子控制器模擬分析 7. 閉迴路控制電路模擬分析其中 1、2 項為信號產生電路模擬，3~5 項為信號處理電路模擬，6、7 項為電子控制電路模擬，七大項目中各又包含二至五個次項，分別針對相近主題進行探討；如第 4 項「主動濾波器」部份，下分為：4-1 低通濾波器，4-2 高通濾波器，4-3 帶通濾波器，4-4 帶拒濾波器等次項；又如第六項「電子控制器」部份，下分為：6-1 比例 P、積分 I、微分 D 控制，6-2 比例積分 PI 控制，6-3 比例積分微分 PID 控制，6-4 其它控制用電路等次項。下列僅就部份實習項目提出作為例證，說明模擬分析之概略：電子應用之主動濾波器是由 OP 及 R、C 元件組成，除了依濾波性質分為低通、高通、帶通及帶拒之外，尚可依電路結構分為 Sallen-Key、Multiple feedback、State-variable 等種類，另可依頻率響應特性分為最平坦振幅(Butterworth)、均等漣波(Chebyshev)、最佳延時(Bessel)等[5-8]。圖 1 為 Sallen-Key 之低通與多重迴授之帶通濾波器電路及其相對應之轉移函數模擬，圖 2 為頻率響應波形，(a) 為幅度－頻率關係圖，(b)為波德圖；圖 3 及圖 4 為 PSpice 在 ABM 元件庫中內建之四種 Chebyshev 濾波器模擬及其模擬後之頻譜分析比較[9]，圖 3 同時利用了 ABM 之描述元件建立一含 60Hz 及其五、十、卄倍頻諧波之信號產生器做為電源。濾波器之學習除了由特定結構之電路模擬探討之外，另可由轉移函數方向探討比較，相同轉移函數的濾波功能可以由不同結構的電路建構達成，而頻域. 三、內容與結果本計畫共分三年針對不同主題進行研究，本年度計畫為最後一年，主要針對信號產生電路、信號處理電路與電子控制電路，二技學生如何利用電腦軟體工具 PSpice 輔助學習並進行模擬分析，以探討電路之運作及特性等主題進行課程內容編撰，此一主題與前兩年之計畫內容大不相同，已經不再局限於電路學之領域，而同時涵蓋電子學、電子電路、控制電路之部份範圍，並且也與其它子計畫之關聯性更形密切、更加契合（如子計畫二、三、四、六）。計畫中不再單純利用基本元件（R、L、C）組成電路，而是廣為利用運算放大器架構完整之實用電路。在 2.

(3) 之頻率響應、頻譜分析及時域的階波響應、暫態分析都可以在此一實習項目中相互輔助驗證，協助學生充分瞭解濾波器之性質與功用。電子控制電路包括 P、I、D 型及 PI、PID 等控制器結構，以及限制器、平滑器、補償器等電路[10,11]，在古典控制理論及應用上是極重要的學習主題，一般學校利用面板式硬體套件進行實習，但若能利用彈性更大的電腦模擬輔助教學，對於學生觀念之建立與釐清會有很大的幫助。圖 5 為 PI 型電子控制器響應特性模擬，分別由運算架構、轉移函數及電子電路三個方向上進行比較相互驗證，圖 6 為方波輸入之響應波形，學生可以適當的調整 P 及 I 之參數以觀察響應的變化來學習、分辨控制器的特性。閉迴路控制之模擬必須包含受控體、驅動器及控制器之整合系統，其複雜度有淺有深，計畫中選擇較為簡單的永磁式直流馬達為受控體以簡化學習困難度，也符合單純電路模擬之計畫目標，圖 7 是分別由轉移函數方塊圖及等效電路結構圖兩個方向上進行直流馬達直接加壓起動及加載模擬，圖 8 為其電流及轉速響應波形，圖 9 則是加入 PI 型速度及電流控制後之閉迴路模擬結構[12]，圖 10 為其響應波形，這一模擬實習可以給予學生彈性而又簡易的學習比較，更可以在理論與實務相互驗證上提供最大的助益。. 實務，對工作應用有極大幫助；而在論文發表上，雖然尚未整理出直接關係之文章，但在相關主題之延伸方向上，卻有三篇論文由此產生（部分尚在審稿中），而參與研究之師生後續同質研究還持續進行中，此一成果應該有其一定之價值。經由此一研究與課程規劃之實現，必然能夠提升二技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。五、參考文獻 1.. J.W. Nilsson and S.A. Riedel , Electric Circuits , sixth ed. , Prentice Hall , 2000 . 2. A.A. Hatzopoulos, “Computer-aided circuit analysis and design projects for electronic engineering students,” Engineering Science and Education Journal, 1999, pp.23-32. 3. W.N. Cheung, “Digital simulation of electrical systems to reinforce laboratory teaching,” IEEE Trans. on Education, Vol.42, No.1, 1999, pp.22-32. 4. N.K. Medora, A. Kusko, “Computer-aided design and analysis of power-harmonic filters,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 36, No.2 , March/April 2000, pp. 604 –613 5. 林志一、曾龍圖、吳明璇，電子學實習，高立圖書公司，2000. 6. 陳玉龍譯，有源濾波器設計手冊，儒林圖書公司，1986. 7. M. Herpy & J.C. Berka, Active RC Filter Design, Elsevier, 1986. 8. A.B. Williams, Electronic Filter Design Handbook, McGraw-Hill, 1981. 9. OrCAD PSpice User’s Guide, Cadence Inc., Portland, USA, 2000. 10. 陳廷國譯，電機自動控制，全華圖書公司，1986. 11. J.M. Jacob, Industrial Control Electronics, Prentice-Hall, 1989. 12. P.C. Sen, Thyristor DC Drives, John Wiley & Sons, 1981. 四、討論與自評本計畫針對二技電機系學生之學習背景，規劃設計一適於電路分析課程之模擬實習教材。本年度計畫為第三年，主要進行方向為信號電路分析與模擬。計畫中藉助 PSpice 為軟體工具，針對信號產生電路、信號處理電路與電子控制電路編排一系列著重分析、思考與辨証之實用導向的電路模擬教材。本計畫進行三年來，除了教學實習教材之安排編撰與試作完成之外，並在二年半中開授了十班課程（日間部兩班、進修推廣部七班、進修學院三班）實際教學利用，學生修課人數總共 399 人，反應非常良好，特別是有工作經驗的學生，咸認為教材內容符合. 3.

(4) R11. 4. C5 0.01uF. R2. 15.9k. 15.9k. 3. +. C2 0.01uF. V1. V+. OUT. R1. OS2. uA741 1 6. R3. out1. 26.5k. 5 1Vac. V2. R5 106k. V-. C4 2. -. 0.01uF R4 2.4k. U2 OS1. OUT 3. +. OS2. VCC+ 15V. uA741 1 6. signal generator. out2. 5. V+. Low-Pass Filter (Sallen-Key). Band-Pass Filter (multiple feedback). (2*6283*6283)/(s*s+6289*s+6283*6283) E1 out11 IN+ OUT+ IN- OUTELAPLACE. out1. 0.5dB 20dB. 0. 15V VCC-. V+. 0 0. 600Hz 400Hz. V+. U1. 4. 10k. OS1. source. V-. R1 1k. LPF. EXP1 = 10*sin(377*TIME) EXP2 = +5*sin(1885*TIME) EXP3 = +2*sin(3770*TIME) EXP4 = +sin(7540*TIME). 7. 1Vac. -. V-. 2. 0.01uF. 7. C1. V-. V-. 10k. V+. R22. 0. 0 400Hz 600Hz. out2. 0.5dB 20dB. -(2*1885*s)/(s*s+1885*s+6283*6283) E2 out22 IN+ OUT+ IN- OUTELAPLACE. R2 1k. HPF. 800Hz 650Hz 550Hz 400Hz 0.5dB 20dB. out3 R3 1k. BPF 0. 800Hz 650Hz 550Hz 400Hz 0.5dB 20dB. out4 R4 1k. BRF 0. 圖 1 主動濾波器電路結構及轉移函數. 0. 圖 3 PSpice 內建四種濾波器. 2.0V 20V. 1.0V. 0V. 0V V(OUT2). -20V 0s. V(OUT22). 4.0V. 20ms V(souse). 40ms. 60ms. 80ms. Time 10V. 2.0V. 5V. SEL>> 0V 10Hz 100Hz 10KHz V(OUT1) V(OUT11) Frequency. 0V V(souse) 10V SEL>> 0V 0Hz. (a)幅度－頻率關係圖 100. 0.5KHz V(out1). 1.0KHz. 1.5KHz. 2.0KHz. Frequency. 0 2.0V. -100 DB(V(OUT1)). 1.0V. 50. SEL>> 0V V(out2) 2.0V. SEL>> -50 10Hz 10KHz DB(V(OUT2)) Frequency. 1.0V 0V V(out3) 10V. (b)波德圖圖 2 主動濾波器頻率響應波形. 5V 0V 0Hz. 0.5KHz V(out4). 1.0KHz. 1.5KHz 2.0KHz. Frequency. 圖 4 PSpice 內建濾波器模擬頻譜分析. 4.

(5) 2.0. Ra. La. 1. 46mH. Te2 EEg. Vs. GAIN. in. ETe. OUT+ IN+ OUT- INEVALUE. 110Vdc. V1. 0.008. H1. Omeg2 + -. TL2 VTL. out1. 20. 10k. VPULSE. Rb. 0.093. IN+ OUT+ IN- OUTEVALUE 0.55*I(EEg). 0.55*(-I(ETe)). V1 = 1 V2 = -1 TD = 50m TR = 0.1u TF = 0.1u PW = 50m PER = 100m. Lj. INTEG. 0. (b) 等效電路結構圖. R1. 圖 7 直流馬達直接加壓特性模擬. 0. 0. (a) 以運算架構模擬 E1. in V1 = 1 V2 = -1 TD = 50m TR = 0.1u TF = 0.1u PW = 50m PER = 100m. IN+ OUT+ IN- OUTELAPLACE. V1. 100V. out2 10k. VPULSE. 50V. R7. 2*(1+0.1*s)/(0.1*s). 0V V(IA) 200V. 0. 0. (b) 以轉移函數模擬 Rf. Cf. 200k. 0.5uF V2. VCC-. 100k. 4 OS1. 3. VPULSE. V+. OUT. V1. +. OS2. out3. 6. Rm. VCC+. load torque 10. current feedback -0.5. Ro. 10k. 0. 0. 15Vdc. 10k. 3.0s. 圖 8 直流馬達電流及轉速響應波形. V3. 5. U3. 2.0s Time. 1. 7. V1 = 1 V2 = -1 TD = 50m TR = 0.1u TF = 0.1u PW = 50m PER = 100m. -. 1.0s V(OMEG). 15Vdc. V-. uA741 2. Ri. SEL>> 0V 0s. VCC+. {-1*STP(TIME-8)}. VCC-. TL 21*(1+1.42*s) V2. 1.42*s. 5Vdc. 0. 28. Ea. 25. 1 1 + 0.046*s. 0. speed controller. (c) 以電子電路模擬. 12.5. current limit. Ki current controller. Kc power converter. Ia. 125. Te. 0.55. Omeg. 1 + 11.63*s. -Eg -0.55. 0. 圖 5 PI 型電子控制器. -0.057. speed feedback. (a) 轉移函數方塊圖 current feedback. 1.0V. Ia. + -. -0.5. 21*(1+1.42*s) 1.42*s. Vset. speed controller. 5Vdc. -1.0V V(IN). 12.5 28. 25. H2. DC-Motor. H. Ea. current limit. Ki current controller. Kc power converter. DCM. 0. 4.0V. Wm. Wm. Va. 0 G. 0V. TL. Load Torque {STP(TIME-5)}. 10V VTL. 0 -0.057. speed feedback. 0V. (b) 等效電路結構圖. SEL>> -4.0V 0s V(OUT1). 100ms 200ms V(OUT2) - V(OUT3) Time. 圖 9 直流馬達閉迴路控制模擬. 300ms. 圖 6 PI 型電子控制器響應波形. 40V 20V 0V. 9. V(IA). TL {-1*STP(TIME-1.5)}. Va. 1 1 + 0.046*s. Ia. 0.55. Te. 125 1 + 11.63*s. 100V Omeg. SEL>> 0V 0s. V2 -Eg. 110Vdc. -0.55. 5s. 10s. V(OMEG) Time. 0. 圖 10 直流馬達閉迴路控制電流及轉速響應波形. (a) 轉移函數方塊圖. 5.

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