教學與科研有機融合的研究

劉桂花，王 衛，張繼紅，姜三勇

(哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001)

“電工學”是一門為工科院校電類和非電類專業學生開設的技術基礎課，其代表性教材有文獻［1］和［2］等。這些教材的特點是重視理論的學術性與系統性，結構與邏輯的嚴密性。該課程的教學重點不在于讓學生掌握很深的理論，而在于培養學生將電工學的基本知識應用于各自專業，繼而創新性地發展各自專業的能力。因此，在課程教學過程中既要為學生搭建完整且可塑的知識框架，又要從工程應用性和專業需求出發，建立理論知識與實際應用的雙向互動體系［3，4］。

本文從高校教師角度出發，對“電工學”集成運算放大電路中的差分放大電路和科研中光伏并網發電系統的電網電壓信息采集技術進行有機融合，探索如何將教學與科研進行有機結合。

1 教學內容的規劃與設計

教師講授“電工學”課程之前，通常要對教學內容進行合理規劃與設計，規劃設計的好壞將直接影響教學質量和效果?！半姽W”集成運算放大電路中的差分放大電路在實際中應用非常廣泛，是學生需要重點掌握的內容。筆者對于該部分內容按照以下思路進行規劃和設計。

1)鋪墊好前期內容

差分放大電路的前期內容主要從兩個方面展開:①先介紹集成運放的特點及比例運算電路，為本部分內容做好知識儲備;②提前給學生布置一份大作業“光伏發電現狀分析、關鍵技術及主要應用調研報告”。

2)講透課堂內容

差分放大運算電路作為集成運算放大器工作在線性區的一種重要應用電路。教師課堂講授時，通常只對其電路結構、輸入輸出關系和應用場合進行分析和介紹。學生學完該部分內容后，雖然可以對相關電路結構進行分析，但對差分放大電路結構的突出特點、典型應用往往理解不夠深入。為此，筆者在課堂講授時，深入挖掘差分放大電路對差分信號進行放大的原因，分析差分放大電路提高共模抑制能力的方法。

3)緊密聯系實際

針對能源學院的學生，筆者在講授差分放大運算電路的應用時，選擇從光伏并網逆變器中電網電壓檢測方面介紹差分放大電路的應用。

2 差分放大電路

圖1是差分放大電路的電路圖，利用基本電路分析法(虛短、虛斷)或疊加原理可以推導出輸入輸出對應關系:

從上式中可以看出該電路可以實現兩個輸入信號不同權重或相同權重的減法。

圖1 差分放大電路

實際上可以實現上式的電路并不只這一種，比例和加法電路的組合也可以實現同樣的輸出結果。那該電路提出的主要目的是什么?有什么工程應用背景呢?我們可舉一個應用實例，橋式測量電路，如圖2所示。

圖2 橋式測量電路

橋式測量電路作為測量機械應變的典型電路在工程上應用非常廣泛。橋式電路由四個電阻應變片構成，其初始電阻值相同，根據串聯分壓原理，A點和B點的電壓都等于電源電壓Us的一半，為一對共模信號，此時對應的輸出差值信號uo=0。如果把電阻應變片貼到被測構件上，構件受力后由于被測點發生應變，電阻應變片會隨之變形使其阻值發生變化，此時A點和B點的電位不再相等，輸出差值信號uo不為零。由于橋式電路輸出電壓信號將與被測構件的應變成線性關系，因此如何將橋式電路的輸出差值信號檢測出來進而了解被測點發生的應變情況是一個實際工程問題。

差分放大電路就是為解決這類問題而提出的，它的主要應用場合為:對包含共模分量的兩個信號差值進行放大。在放大過程中，雖然在輸入信號中包含共模分量，但不希望放大共模信號，只希望對差模信號進行放大。這就要求放大該信號的電路具有很強的共模抑制能力。

接下來結合一個具體例子分析在什么情況下差分放大電路的輸出只包含差模分量而不包含共模分量，即差分放大電路只放大差模信號而不放大共模信號。

［例］在圖1所示電路中，輸入信號為一對比較信號，可分解成一對共模信號和一對差模信號的和，即 ui1=uc+ud，ui2=uc－ ud，若 R1=R2，求 R3和 Rf滿足什么條件時輸出信號中不包含共模分量?

解:將題中輸入信號表達式代入式(1)，可得

若使輸出信號中不包含共模分量，需要上式中uc前面的系數為零，即

將上式進行變換可得:R1R3=R2Rf，已知條件為R1=R2，則 R3=Rf。因此，當 R1=R2，R3=Rf時，差分放大電路輸出信號中不包含共模分量，問題得以解決。將R1=R2，R3=Rf代入式(1)后可得

3 集成運放與光伏發電的有機結合

通過以上分析發現，可以采用圖1所示差分放大電路對太陽能光伏發電系統的光伏逆變器并網端口處的電網電壓進行采集。如何設計一個性能優良的電路是應用過程中需重點解決的問題。在圖1電路中，集成運算放大器是核心，如何選擇這一核心元件?可以采用如圖3和圖4所示PPT向學生講解集成運放的類型及選型時的注意事項。他們需要通過一系列分析，最終選擇TL082作為集成芯片型號。在選擇完芯片型號后，需要向學生強調查閱器件手冊的重要性。

圖3 集成運放的類型PPT

圖4 集成運放的選擇PPT

在確定集成運放的型號后，接下來最重要的一步是設計集成運放的外圍電路，在電路設計過程中需要注意電阻的精度、電阻的擊穿電壓、消除運放自激震蕩所用的去耦電容，采樣及反饋環節所用的濾波電路等實際設計注意事項，在實際教學過程中可結合圖5中PPT內容進行講解。

圖5 集成運放的外圍電路PPT

當最終完成電路設計后，告訴學生，除了采用仿真軟件進行電路仿真驗證外，通常需要搭建一個具體實驗電路，采用示波器等儀器設備進行測量，驗證合格后的電路才可以真正在實際電路樣機上實現，最終產品可采用貼片形式的元器件以提高電路的功率密度，圖6為該部分課堂所用PPT。

圖6 電網電壓采樣電路PPT

總之，在介紹集成運算放大器應用的過程中，對新能源領域中的光伏發電進行介紹，讓學生對先進技術和方法有一個大致了解;同時筆者結合自身科研經歷將以下科研經驗傳遞給學生:①學會資料搜集和培養信息檢索能力;②重視數據手冊提供的信息，學會如何快速閱讀數據手冊并抓住其主要信息;③理論上正確的電路在實際調試過程中還可能會遇到各種問題，學會如何從器件選擇、電路布局和高頻濾波等方面來提升電路性能;④電路測試和驗證方法有多種，一般應遵循先局部后整體、先仿真后實物和先樣機后產品的原則進行。

4 結語

本文以如何將集成運算放大電路中的差分放大電路應用到光伏并網發電系統中的電網電壓信息采集電路為例，對教學與科研的有機融合進行了思考和探索。利用以上思路指導教學，經過多個學期對能源學院學生的授課情況來看，學生普遍反映既能了解本專業的最新科研動向，又能掌握如何設計一個具體的電路，基本可以達到學以致用，收獲很大。教師在備課過程中通過廣泛查閱資料以及對電路的深入剖析，對科研工作也有指導作用。

［1］ 秦曾煌.電工學(第七版)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］ 唐介.電工學(少學時，第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］ 唐介.面向21世紀電工電子系列課程教學內容和課程體系改革的研究與實踐總結［J］.南京:電氣電子教學學報，2001，23(4):10-14.

［4］ 劉鳳春，陳希有，牟憲民，李冠林，王林.面向卓越計劃的電工學課程教學改革［J］.南京:電氣電子教學學報，2011，33(5):10-12.