序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇數(shù)字電子技術論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

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2數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中的重要程度

隨著經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，人們與網(wǎng)絡之間的聯(lián)系也愈加緊密，數(shù)字網(wǎng)絡技術的產(chǎn)生和發(fā)展，可以說極大地推動了網(wǎng)絡的發(fā)展，也提升了網(wǎng)絡與用戶之間的關系。

2.1數(shù)字電子技術可以使信號處理更加方便

數(shù)字信號是運用數(shù)字電子技術的載體來實現(xiàn)的，與其他信號相比，數(shù)字信號具有很多優(yōu)勢，它能夠抵制其他干擾性的信號，信號的傳輸沒有其他雜音出現(xiàn)，還能通過一些手段實現(xiàn)信號的加密處理，同時數(shù)字信號不容易丟失，在傳輸?shù)倪^程中可以實現(xiàn)存儲，數(shù)字電子技術產(chǎn)生的數(shù)字信號，還可以使的數(shù)字信號的接收裝置變得更加細小，甚至可以僅僅通過一個比手指甲蓋還小的裝置就可以實現(xiàn)數(shù)字信號的存儲和轉(zhuǎn)換。二進制代碼是數(shù)字通信和計算機網(wǎng)絡共同采用的代碼，這種一致性使得計算機和數(shù)字信號能夠很順利地進行聯(lián)網(wǎng)。

2.2數(shù)字電子技術推動了集成電路的形成

隨著數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中的不斷應用，數(shù)字信號應運而生。與傳統(tǒng)信號相比，數(shù)字信號的安全性能更加強大，外界信號對數(shù)字信號的擾動能力較差，在數(shù)字信號的傳輸過程中，可以有效地保障數(shù)字信號的質(zhì)量，還能實現(xiàn)超長距離的信號傳輸。另外由于數(shù)字電子技術的應用和發(fā)展，數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程中，為了強化其安全性，還可以通過加密的方式來保障數(shù)字信號的安全性能。數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中的應用，還可以推動集成電路的形成，使信號的傳輸和存貯、轉(zhuǎn)換更加微型化。

3數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中的應用

數(shù)字信號的產(chǎn)生和應用，可以看成是數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中應用的起源。數(shù)字信號超強的信息處理能力和傳輸能力，也在一定程度上推動了網(wǎng)絡的發(fā)展。

3.1數(shù)字電子技術可以使網(wǎng)絡中的信號數(shù)字化

信號的數(shù)字化需要進行抽樣、量化和編碼等關鍵步驟。信號的抽樣就是指將以前連續(xù)的模擬信號進行分離處理，然后通過隨機選擇的方式，通常是遵循一定的時間規(guī)律來將抽取出來的信號進行序列化處理，進而代替原先連續(xù)的模擬信號。信號的量化是指將數(shù)字信號中幅度相似的值來取代原先連續(xù)性的模擬信號，與信號的抽樣相比，信號的量化也是將連續(xù)性的模擬信號進行分離處理。信號的編碼，是將模擬信號數(shù)字化的最后一個環(huán)節(jié)，信號的編碼是建立在信號的抽樣和量化的基礎上，將量化后的模擬信號通過編碼步驟，進而轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信號。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，是數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中的關鍵應用，極大的提升了網(wǎng)絡信息的傳輸速度，也擴張了網(wǎng)絡信息的傳輸途徑，推動了網(wǎng)絡的發(fā)展與應用。

3.2網(wǎng)絡應用數(shù)字電子技術可以實現(xiàn)信號處理的能力

數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中的應用，可以加大網(wǎng)絡對信息的處理能力。網(wǎng)絡借助數(shù)字電子技術可以有效的對數(shù)字信號的處理。將模擬信號進行編碼處理后，將會變成離散的數(shù)字信號，數(shù)字信號具有傳輸快，受干擾性較低，信號失真少等特點，而且經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，在傳輸過程中還具有一定的安全性能，有助于網(wǎng)絡對這些數(shù)字信號的處理能力，同時也加快了信號的傳輸效率，提升網(wǎng)絡的運行速度，網(wǎng)絡的運行速度提高了，不僅加快了網(wǎng)絡的發(fā)展，也緊密了網(wǎng)絡與用戶之間的關系。

3.3數(shù)字電子技術有助于對網(wǎng)絡信息的高效處理和傳輸

數(shù)字電子技術在網(wǎng)絡中的應用，能夠加速網(wǎng)絡信息的處理能力和傳輸效率，網(wǎng)絡信息在處理的過程中，應用數(shù)字電子技術能夠加大信息的處理，實現(xiàn)對數(shù)字信息的規(guī)?；?、集成化、快速化的處理。在信息傳輸過程中，應用數(shù)字電子技術可以提升信息傳輸?shù)男?，?shù)字信號具有抗干擾性和傳輸快等特征，特別是運用數(shù)字電子技術將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，更加有助于信號的傳輸。在信號檢索方面，數(shù)字電子技術將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，一旦將信息處理完畢，還可以再次通過信號轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。信息通過數(shù)字信號的方式，或者信息運用數(shù)字信號的媒介，可以提升信息傳輸效率，還能有助于數(shù)字通信的發(fā)展。

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在充分分析課程內(nèi)容的基礎上，我們設計了一套“板書式”的多媒體教學課件，實現(xiàn)了多媒體與教學思路的同步、與傳統(tǒng)板書的有機結(jié)合。

所謂“板書式”的多媒體課件，是指根據(jù)教學思路，將復雜的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路原理圖以及時序圖等，按照其內(nèi)在的邏輯關系、時序關系，以動畫的形式分層、逐步的出現(xiàn)。這樣，一方面節(jié)省了大量板書畫圖表的時間，提高了教學效率；另一方面，利用了多媒體形象、動態(tài)、多彩的特點，彌補了傳統(tǒng)板書的不足，使現(xiàn)實中原本動態(tài)的、立體的內(nèi)容重現(xiàn)其動態(tài)本質(zhì)，使教學生動、直觀，活躍課堂氣氛。通過動畫的剖析，充分展示了教師分析問題、解決問題的思維過程，有助于培養(yǎng)學生的學習和思維能力。

三、EDA技術的引入

數(shù)字電子技術基礎主要包括數(shù)字邏輯基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路等。這些內(nèi)容理論難以掌握，但通過一些與實際生活聯(lián)系緊密的實例，用實驗的方式可以直觀形象地展示電路的功能及特性。如555定時器可構(gòu)成門鈴電路、監(jiān)控電路；觸發(fā)器可組成搶答器；計數(shù)器可以組成數(shù)字電子鐘等。

在理論課教學中，由于無法接觸到實物直接用于實驗實現(xiàn)，我們引入了EDA技術用于搭建虛擬電子工作平臺，主要是用到EWB軟件。

EWB（E1ectronlcsWorkbench）又稱虛擬電子工作平臺,目前EWB已經(jīng)成為在我國高校電子技術課程教學中應用最為廣泛的一種軟件，被譽為“計算機里的電子實驗室”。教師在理論教學過程中可隨時利用EWB對所講授元器件或電路進行仿真和分析，增加學生對所學知識的感性認識，提高理論教學效果。學生也可利用業(yè)余時間自己動手使用EWB分析設計各種在實驗教學中無法實現(xiàn)的電路，開展各種探索性、研究性實驗，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。這一切僅需要一臺計算機和一部EWB軟件，不再受場地、實驗學時、設備等各種客觀條件的限制。

四、EWB在課堂教學中的應用

在課程講授中，我們結(jié)合多媒體課件，首先提出問題引導學生思考，例如，在講授觸發(fā)器章節(jié)內(nèi)容時，先引入了基本RS觸發(fā)器的電路圖，如圖1所示，要求同學們分析這個電路的真值表，因為通過組合邏輯電路章節(jié)的學習，這個分析工作他們是能夠勝任的。通過課堂討論，同學們紛紛表示，這個電路真神奇，用的還是基本的邏輯門電路，但是輸出不僅僅跟當時的輸入有關，還跟電路以前的輸出有關。

引起了同學們的興趣后，我們又在EWB平臺上進行仿真實驗，驗證了我們分析得到的真值表。通過預分析和仿真實驗，學生們對觸發(fā)器這類電路很感興趣，接下來的內(nèi)容就很容易被大家接受了。如圖2所示。

在講授優(yōu)先編碼器內(nèi)容時，根據(jù)優(yōu)先編碼器的原理，我們設計了一個8線-3線優(yōu)先編碼器，它具有8個低電平輸入有效的編碼輸入端和1個低電平有效的編碼器片選信號。輸出為3位二進制反碼。電路設計出來我們需要了解其效果，以驗證電路是符合我們的真值表的。在EWB的庫中，74148是一個根據(jù)我們的設計思路實現(xiàn)的8線-3線優(yōu)編碼器，其功能表與我們的真值表完全一致，所以用74148代替我們設計的電路，連線后利用高電平有效的紅色探測器演示輸出信號的高低電平情況，發(fā)現(xiàn)當片選信號為低電平并且所有的輸入編碼請求都無效時，顯示輸出編碼結(jié)果三盞燈全亮，說明輸出編碼結(jié)果為“111”，如圖3所示；當片選信號為低電平并且輸入編碼端7有效時，不論其它輸入編碼端是否有效，顯示輸出編碼結(jié)果的三盞燈全滅，說明輸出編碼結(jié)果均為“000”，如圖4所示，與真值表一致。

通過EWB的仿真演示，學生們不僅掌握了優(yōu)先編碼器的功能，還了解了其使用方法，促進了他們對組合邏輯電路設計方法的信任，對自己設計結(jié)果的信心。

五、結(jié)語

教學手段的不斷進步是課程教學模式改革的基礎。從教學方式上，我們將單一的課堂講授，轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂教學、實驗教學等多種形式交叉并用的新型教學方式。注重“教師主導、學生主學”的教育思想，在改革教學方法的同時，將傳統(tǒng)教學手段與先進的教學手段相結(jié)合，通過把電子教案、多媒體課件等多種教學手段引入教學過程中，極大地豐富了教學內(nèi)容。

而通過課堂上的仿真實例，不僅讓學生了解EDA技術，而且也幫助學生加深對抽象概念的理解，增加授課的生動性和靈活性，激發(fā)學生的學習興趣，大大提高教與學的效率，達到了事半功倍的效果。

【摘要】《數(shù)字電子技術基礎》是通信、電科、自動控制等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，是一門實踐性較強的課程。將理論學習與實驗教學無縫銜接一直是電子技術教學過程中需要著重解決的問題。本文擬將EDA軟件帶入數(shù)字電子技術基礎課程的理論教學中，以此培養(yǎng)學生的學習興趣，提高教學效果。

【關鍵詞】數(shù)字電子技術課程教學改革

參考文獻：

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2教學模式和教學策略的改革

2．1轉(zhuǎn)變教學理念

在數(shù)字電子技術的傳統(tǒng)教學中，采用的是“教－學－練”的教學模式。而現(xiàn)如今，信息大爆炸和獨生子女教育的負面問題，使得學生的自我約束能力降低，學習主觀能動性降低，傳統(tǒng)教學模式不再合適，轉(zhuǎn)變教學模式勢在必行。ISEC項目中，教學模式為“引導－問答－探究－發(fā)現(xiàn)”。教師不再是教學活動中的主體和靈魂，而是要形成以學生為中心，教師為主導的教育理念，真正成為高等教育中的“導師”而是“教書匠”。引導不僅僅是對教學內(nèi)容的引導，還有對學生的能力訓練的引導，精神追求的引導。因此，任課教師首先要對本門課程的歷史沿革、理論體系和前沿發(fā)展具有深入的了解，在教學中能夠為學生傳授更加貼近實際，更加符合專業(yè)培養(yǎng)目標的理論知識。課堂教學模式需要從單一向?qū)W生傳授教科書上的現(xiàn)成知識，轉(zhuǎn)為以提高學生的能力為主要目標的教學活動。學生不再只是被動的接受和記憶，而是要在主動思考和提出問題的過程中，將聽到的、看到的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為自己的。通過小組合作討論的形式，探究更深層的知識，既提高學習的興趣和效率，又能在討論中學會與他人合作、分享，而最終具有將理論知識應用到實際中的能力。

2．2互動式教學

受傳統(tǒng)文化的影響，我國的教師更喜歡站在講臺上講課，而國外的很多教師，更偏向于走到學生中間。課堂實踐證明，站在學生中間更容易引起學生的共鳴、認同和學習興趣。消除了空間上的距離感，同時也會減輕學生心目中的隔閡感，更容易對自己的老師產(chǎn)生認同感，而對任課教師的認同是影響學生學習的一個很大的因素。在課堂中，還可以采用其他很多種互動的方式。例如，(1)可以將簡單的授課內(nèi)容分配給學生來講。這類內(nèi)容大多零散、連貫性差、偏重概念理論，如果由教師講，很容易使得學生在聽講中感覺枯燥乏味，而由他們自己來講解，就可以解決這一問題，同時又可以鍛煉學生的總結(jié)和語言表達能力。(2)可以將人們喜聞樂見的娛樂節(jié)目中的競賽形式引入課堂中，將枯燥的知識點融入到競賽題目中去，同時制定合理的獎勵政策，這將大大提高學生的學習興趣和學習積極性，并能促進學生利用課余時間去學習，為課堂學習做準備，提高課堂學習效率。

2．3任務教學法

在數(shù)字電子技術課程中，可以選擇數(shù)字電子鐘的設計作為一個任務，它既包含數(shù)字電子技術課程的主要內(nèi)容，既有組合電路的部分，又包含時序電路的設計，同時又是生活中常見的實物，難度也在可控的范圍內(nèi)。學生需要獨立地制定設計方案、選擇設計元件、評估設計成果。通過一個任務的完成，使學生在獲得基本知識的同時，又鍛煉了多方面的能力，一舉多得。

3過程性考核形式改革

課程的考核評價是教學過程的一個重要組成部分，當前考核方式的弊端已經(jīng)制約了良好學風的形成和教學質(zhì)量的提高，不利于學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，不利于調(diào)動學生學習的主動性和積極性，考試失去了它所具有的評估、反饋功能。過程性考核要求閉卷考試的成績不得超過總成績的40%，增加例如小論文、研究報告、市場調(diào)研、案例分析、答辯、口述、面試等其他多種考試形式。同時，學生的出勤和課堂參與情況也是一個考核的方面。采用多元化、過程性的考核方式，既可以避免學生只在考試前一周突擊學習和抄襲的不良風氣，又能夠促進教學互動，同時還可以鍛煉學生應對多種挑戰(zhàn)的能力，對新世紀能力型人才的培養(yǎng)具有重要意義。

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2巧設教學情境和問題，激發(fā)學生學習興趣，樹立自主學習意識

根據(jù)教學內(nèi)容的難易、重點，向?qū)W生提出要解決的中心課題，要求他們分析問題情境，探索問題的解決方法。筆者講授《數(shù)字電子技術》中“二值邏輯與基本邏輯運算”時先介紹安全帶報警系統(tǒng)，如圖2所示，然后引到學生思考“什么是與邏輯”，之后了解與運算之后，發(fā)問“如何用與門實現(xiàn)安全帶報警系統(tǒng)”。通過巧設問題和情境，激發(fā)學生那種強烈的探索欲望，使學生處于一種積極的思維狀態(tài)。對于教材中比較抽象的概念和原理，在教學中要深入淺出，用形象生動的比喻去幫助學生進行分析理解，提高學習興趣，激發(fā)學習熱情。學生沉浸其中，才會學有所思、學有所問、學有所悟、學有所得，才會有新的發(fā)現(xiàn)。要想讓學生沉浸于學習還得發(fā)揮學生的主體作用。凡學生能夠自己探索得出的，決不替代，凡學生能獨立發(fā)現(xiàn)的，決不暗示，盡可能給學生多一點思考的時間。為讓學生深刻理解74HC151七段顯示譯碼器三個輔助端即燈測試輸入、滅燈輸入和鎖存使能輸入端的功能，筆者讓學生根據(jù)74HC151的功能表，分析輸出有字形時對應的三個輔助輸入端信號分別是什么，從而得出結(jié)論：燈測試輸入端用于檢查譯碼器本身及顯示器各段的好壞，滅燈輸入端用于將不必要的零熄滅，鎖存使能輸入端由0跳變到1時，輸入碼被鎖存，輸出只取決于鎖存器的內(nèi)容。

3授課要承前啟后，注重教學內(nèi)容的銜接

在教學中關注知識之間的前后聯(lián)系，了解知識的來龍去脈，可以使我們更好地銜接教學內(nèi)容之間的關系，形成一個系統(tǒng)的知識鏈；在這一基礎上的教學設計，能促進學生利用遷移、轉(zhuǎn)化的方法來解決問題，能使我們有效合理地進行教學。一方面注意本課程內(nèi)容的前后銜接，另一方面注意本課程與前后相關課程的銜接。如講全加器時，可以得出全加和S和進位數(shù)Co的表達式，分別如式（1）和式（2）所示。根據(jù)式（1）、（2）和已經(jīng)學習的半加器知識。同時，引導學生將式（1）和式（2）分別變換成如式（3）和式（4）所示的最小項表達式。進而，讓學生回憶二進制譯碼器74HC138重要應用之一，即可以實現(xiàn)給定的組合邏輯函數(shù)。最終，在引導下，學生得出如圖3（b）所示的電路圖，即用已學的74HC138實現(xiàn)全加器的功能。這樣學生開闊了思維，加深了對已學知識的理解。有意點撥前后課程中與本課程相關的知識點及其應用，讓學生認識到電子技術課程承前啟后的重要作用，激發(fā)學習的興趣和熱情，提高學習的主動性，樹立學好電子技術課程的信心。

4理論聯(lián)系實際,拓展學生的思維能力

理論教學學生一般感覺枯燥、難學懂。在理論教學的過程中，若能結(jié)合具體實驗案例，則能給予學生感性認識，提高學習興趣，進而通過理論學習上升到理性認識，再到實踐環(huán)節(jié)中，驗證理論，又可促使學生真正理解理論知識，進一步深化理論。對數(shù)字電子技術的掌握更重要的是能夠通過電路的學習學到一種思維方式，學會一些分析問題和解決問題的方法。邏輯運算是數(shù)字電子技術的基礎，讓學生理解基本運算是重點也是難點。為此，筆者在講授或運算時，“入室盜竊檢測和報警系統(tǒng)”為例講解或運算及或門的應用。這樣一來，學生易于理解或運算的本質(zhì)及其應用。教學多結(jié)合實際，激勵學生不但要具有堅實的理論基礎而且應能夠靈活綜合應用來分析和解決問題。

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修改教學大綱和授課計劃，縮減“數(shù)字電子技術”課程的授課學時，由64學時改為48學時。在教學內(nèi)容上要緊跟科技發(fā)展，結(jié)合實際工作需求調(diào)整教學內(nèi)容，保證基礎知識講透徹，減少冗余知識點，摒棄陳舊內(nèi)容，增加前沿科技，深入淺出的引導學生學習。對本科生教學要注重基本電路原理分析，將簡單器件的原理解釋清楚。將該課程分解為“數(shù)字電子技術”和“數(shù)字電子技術實驗”兩門課，增加實驗課時，增加對實驗室的建設投入，開放實驗室，建立大學生創(chuàng)新實驗室，鼓勵學生利用實驗室自主學習。

二、教學方法改革

1.探究式教學

在理論教學中，注意引導學生主動提出問題、思考問題、解決問題，以增強其對理論知識的理解。首先由老師提出問題，啟發(fā)學生采用新方法解決問題。例如，由具有邏輯相鄰性的最小項相加可以合并為一項，并消去一個不同因子，啟發(fā)學生是否可以利用圖形的方式，使邏輯相鄰的最小項在幾何位置上也相鄰，由此引出卡諾圖化簡。在CMOS門電路講解中，可以由普通CMOS反相器輸出端直接連接引起的短路問題，引出OD門來解決輸出端線與的功能。

2.計算機輔助教學

多媒體輔助教學（CAI）已經(jīng)成為一種廣泛應用的教學方式，在教學中如果能夠充分利用多媒體技術，將大大豐富課程的內(nèi)容、增強其理解性。因此在教學改革中，對PPT進行全面改進，增加電路板、集成芯片等實物照片，對復雜的工作原理和物理現(xiàn)象增加動畫演示。在傳統(tǒng)PPT教學的基礎上，充分利用電路仿真軟件Multisim對電路工作過程進行模擬仿真。該軟件提供了一個豐富強大的元件庫及虛擬儀器，可對復雜的電路原理圖進行仿真分析。例如，教學過程中，理論分析之后，用該軟件對CMOS和TTL門電路進行仿真，通過仿真軟件可以測量出門電路各部分原件的電壓、電流值，與理論分析相結(jié)合，使學生更容易理解CMOS和TTL門電路的基本原理。受到實驗設備、經(jīng)費、課時等條件的影響，理論知識有很大一部分不能在實驗課當中得到驗證，因此借助Multisim軟件對數(shù)字電路進行仿真，可以提高學生的學習興趣，增加學生理論與實踐相結(jié)合的能力。

三、實踐教學改革

1.實驗教學

實驗是工科類專業(yè)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過親自動手實驗，可以增強學生對理論知識的理解，適當增加實驗的趣味性，更容易激發(fā)學生的學習興趣。但在實驗教學中發(fā)現(xiàn)，很大一部分學生對理論知識掌握不牢固，其實驗過程只是機械的按照實驗指導書中的步驟進行操作，而并不思考其原理，也不會通過理論分析來判斷實驗結(jié)果的正誤。針對這種情況，進行了如下改進：首先要求進行實驗預習，提前復習相關理論課程，并通過分析得出實驗內(nèi)容的理論數(shù)據(jù)。其次在實驗之前對實驗原理進行講解，強調(diào)實驗注意事項。最后在實驗結(jié)束后進行總結(jié)，將理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果相對比并分析誤差原因。

2課程設計

數(shù)字電子技術課程設計是在學生完成《數(shù)字電子技術》、《Multisim仿真分析》《DXP電路設計》等課程之后，獨立完成一個電路系統(tǒng)的設計，例如多路搶答器、電子鬧鐘的設計等。以往的選題由教師決定，導致部分學生對指定選題沒有興趣，設計積極性不高。我們做了如下改進，由教師對已有固定選題進行難易評估，學生可根據(jù)自身能力選擇不同難易程度的題目，對于創(chuàng)新性思維活躍、動手能力強的學生，可自主選擇題目，由教師對其復雜程度進行控制。選題完成之后，要求學生自主查閱資料，確定設計方案，并通過Multisim對電路進行仿真，仿真實現(xiàn)之后，通過DXP繪制電路PCB，完成電路板的制作，最后對電路進行安裝和調(diào)試，以達到設計要求。

四、考核方式改革

將課程總考核成績分為三部分：平時成績占30%、期中考試占10%、期末考試占60%。其中平時成績分為到課率、作業(yè)、課堂提問、課堂筆記幾部分。增加平時成績比重，并細化平時成績考核內(nèi)容，更有利用督促學生重視日常學習。傳統(tǒng)閉卷考試形式，學生需要識記內(nèi)容較多、負擔較大，很多學生通過死記硬背應付考點，而開卷考試又不適合主干課程的考試。因此我們創(chuàng)新式的改變傳統(tǒng)期末考試形式，采用半開卷考試方式。提前要求學生在復習時對重點知識進行歸納，并總結(jié)在一張A4紙上，期末考試時允許且僅允許攜帶該一張A4紙。通過自己完整的歸納總結(jié)一遍，學生可以更好地理解所學知識，并在不知不加深了記憶。這種方式在近幾次的期末考試中取得較為滿意的效果，既可以檢查學生掌握知識的水平，也反映出教學中存在的問題，以便在以后的教學中改進。

五、結(jié)束語

科技發(fā)展越來越需要具有工程技術和創(chuàng)新能力的人才，在課程改革中要緊跟時代的步伐，注重對學生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教師也要不斷學習提高自身水平，才能使教學質(zhì)量不斷提高。在教學中逐步引入雙語教學，引導學生查閱外文文獻資料，與國際接軌。此外，對電子技術興趣較為濃厚的學生，要組織他們積極參加全國大學生電子設計競賽、“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽等?？傊挥胁粩嗟母倪M教學方法，更新教學內(nèi)容，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)，加強實踐教學，才能提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)出社會需要的有用人才。

作者:鄭麗媛 李如 單位:河南科技學院機電學院 河南科技學院高等職業(yè)技術學院

參考文獻：

[1]任希，侯建軍，李趙紅，路勇，曾濤.研究性教學在“數(shù)字電子技術”課程中的探索[J].電氣電子教學學報，2010.08

[2]趙航.“數(shù)字電子技術”課程教學改革與實踐[J].吉林工程技術師范學院學報，2012.04

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二、基于CDIO教育理念的“數(shù)字電子技術”課程教學模式重構(gòu)

1．課堂授課策略的重構(gòu)

目前，在多數(shù)高校中“數(shù)字電子技術”課程普遍采用的是“教師講授+多媒體教學”的傳統(tǒng)教學形式，主要以教師講解為主，以幫助學生熟練掌握基礎知識為指導思想，一般是先利用幻燈片向?qū)W生介紹本章節(jié)涉及的邏輯單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和邏輯功能等，然后通過例題給學生講解組合邏輯電路或時序邏輯電路的工作原理及其實現(xiàn)過程。在整個課堂教學過程中，學生更多的是充當“聽眾”的角色，跟著教師的思路去理解、記憶相關的知識點，學生的“學”完全圍繞教師的“教”來進行，這種傳統(tǒng)的教師主動“教”的模式，只能帶來學生被動“學”的困境。不可否認，這種教學方法對學生快速掌握課程知識點具有顯著的效果，但是，也會導致學生在未來工作中面對實際的工程項目束手無策的尷尬局面。根據(jù)CDIO“做中學，學中做”的理念，教師要改變原有的教學方法，采取能培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力的基于問題的教學方法(Prob-lembasedLearning，PBL)。PBL教學方式是先由教師在課前提出根據(jù)教學目標精心設計的具有啟發(fā)性的問題，再由學生通過查閱相關資料學習解決問題的“教與學”緊密結(jié)合的過程。在這個教學過程中，作為課堂教學主體之一的教師是學習方法的引導者、基礎知識的講授者、創(chuàng)新教學模式的整體設計者、學習過程的監(jiān)控者、學習質(zhì)量的評價者和師生互動之間的協(xié)助者;而作為教學過程中心的學生，需要自己解決學習問題，承擔自主學習的責任，成為學習過程的真正主體。“數(shù)字電路技術”課程中組合邏輯電路這部分教學內(nèi)容，教師可以立足于生活引出“數(shù)字顯示搶答器”的設計問題，由學生分組討論并各抒己見，讓學生的自得到尊重，讓學生的學習興趣得以激發(fā)，在學生完成設計后，教師在現(xiàn)場用電子電氣設計自動化(ElectronicDesignAutomation，EDA)軟件Multisim搭接電路并仿真實效，對學生的設計做出評價，EDA軟件具體可參考文獻。這樣的教學模式，不僅能讓學生在解決問題的過程中掌握相關的知識技術和學習策略，也有利于學生更好地適應未來職場上創(chuàng)新性的開發(fā)工作，而于教師本身而言，也是一個教學相長的過程，對教學水平的提高和職業(yè)技能的開拓都大有裨益。

2．教學內(nèi)容的重構(gòu)

“數(shù)字電子技術”原有課程教學內(nèi)容以數(shù)字邏輯電路的基礎知識和原理為主線，教學目標主要是讓學生了解或驗證相關的知識點。在現(xiàn)有教學內(nèi)容和目標的框架下，學生雖然能夠掌握單一的知識點及其應用技巧，但不清楚如何在整個項目中合理地使用各類技術，形成“只見樹木，不見森林”的認知習慣，造成學生知識結(jié)構(gòu)的單一性和淺薄性。筆者在教學過程中，經(jīng)常遇到學生反映教學內(nèi)容枯燥難懂，在未來工作中又沒有實際意義，由此形成了教學主客體的雙重尷尬局面。在CDIO特色的教學內(nèi)容體系下，通過項目設計將整個課程體系有機、系統(tǒng)地融合起來，所有的教學內(nèi)容都圍繞該項目展開;符合CDIO模式思想的“數(shù)字電子技術”教學內(nèi)容，需要教師能從較高層次把握這些內(nèi)容各自的地位和作用，幫助學生理清課程中各種內(nèi)容之間的關系，從而凸顯設計和應用，改變過去重視原理、忽視設計、忽視應用的狀況?！皵?shù)字電子技術”課程教學內(nèi)容以原理、設計和應用為主線，將課程教學內(nèi)容劃分成與之對應的三個部分:(1)數(shù)字電子技術原理部分，涉及邏輯門電路和觸發(fā)器等;(2)數(shù)字邏輯電子電路設計部分，涉及組合邏輯電路和有記憶功能的時序邏輯電路等;(3)數(shù)字電子技術應用部分，涉及硬件描述語言、EDA電子仿真實驗和硬件電路調(diào)試實驗等。筆者擬建立基于CDIO特色的“數(shù)字電子技術”教學內(nèi)容體系，如圖1所示，虛線框的內(nèi)容代表教學內(nèi)容，實線框的內(nèi)容代表教學內(nèi)容相應教學的作用。

3．教學評價模式的重構(gòu)

在傳統(tǒng)教學評價模式中，理論考試和實踐考試分離，課程考核基本采用單一筆試的考評方式，像大部分課程仍采用“期末成績(70%)+平時成績(30%，包括出勤和作業(yè)兩個部分)”的評價模式，該模式簡單公正，但注重的是理論知識的考核。這種考核方式僅僅反映出學生對理論知識的掌握程度，很難體現(xiàn)學生的實踐能力和工作態(tài)度;此外，這種只關注結(jié)果的考核評價具有較濃的功利色彩，學生也僅僅為考試而學習，沒有主動參與學習過程的熱情，根本體會不到學習的樂趣，更談不到創(chuàng)新能力的提高。CDIO創(chuàng)新教學模式的愿景是要為工科學生提供一種強調(diào)工程基礎、建立在實際工程上產(chǎn)品的C—D—I—O過程的環(huán)境基礎上的工程教育;而基于CDIO的教育理念構(gòu)建的課程考核評價方式，應將培養(yǎng)符合產(chǎn)業(yè)界的工程師需要具備的各種能力和素質(zhì)變?yōu)閷W生考核的主要目標。因此，我們擬建立以教師、實驗師和學生三方為主體，結(jié)合學習過程、項目結(jié)果和考試三方面的綜合評價模式，在這種評價模式下課程的成績評定，采用“結(jié)果性”考核與關注學生在學習過程中體現(xiàn)出的態(tài)度、素養(yǎng)、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力等“過程性”考核相結(jié)合的模式來決定。減少“結(jié)果性”期末理論考核在總評中所占比例，設定比例為35%，重點考查學生的知識和技術。加強“過程性”考核的力度，提高平時考核所占比例，學習過程和項目結(jié)果占的比例為65%，重點考查學生的能力和態(tài)度。學習過程考核主要由課堂表現(xiàn)16分和協(xié)作成績14分組成，教師評課堂表現(xiàn)，學生互評協(xié)作成績;項目結(jié)果考核中項目質(zhì)量和創(chuàng)新占20分，項目答辯占10分，這兩部分成績是教師和實驗師針對項目團隊打出的，互評成績5分是根據(jù)項目組內(nèi)根據(jù)對項目的貢獻程度由學生互評得出，既能使成績總體上取決于團隊成績，使學生重視團隊協(xié)作，又能衡量在一個項目組內(nèi)各學生對項目貢獻的大小。然而，項目設計的結(jié)果往往不是唯一答案，因此，要重點關注有特點、亮點的設計方案，并給予大力鼓勵與表揚?？傊?，“結(jié)果性”和“過程性”課程的考核評價不僅注重知識和技術的評價，而且要注重能力和態(tài)度的評價。

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在工作點穩(wěn)定電路中的應用要進行靜態(tài)分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態(tài)基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關過程及結(jié)論。

二、納米電子技術急需解決的若干關鍵問題

由于納米器件的特征尺寸處于納米量級，因此，其機理和現(xiàn)有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現(xiàn)象和相關問題需要解決，如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效應機理等。盡管如此，納米電子學中急需解決的關鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關的納米電子技術方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）納米Si基量子異質(zhì)結(jié)加工

要繼續(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋印⒐饪痰燃夹g制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導體結(jié)構(gòu)。其中，不同層通常是由不同勢能的半導體材料制成的，構(gòu)建成納米尺度的量子勢阱，這種結(jié)構(gòu)稱作“半導體異質(zhì)結(jié)”。

（2）分子晶體管和導線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導線，但把這些元件組裝成一個可以運轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機構(gòu)在這個方向上取得了可喜的進展，但該技術何時能夠走出實驗室進入實用，仍無法斷言。

（3）超高密度量子效應存儲器

超高密度存儲量子效應的電子“芯片”是未來納米計算機的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統(tǒng)提供海量存儲手段。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲的量子效應存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學研究者提出了新的挑戰(zhàn)。

（4）納米計算機的“互連問題”

一臺由數(shù)萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計算機注定需要巧妙的結(jié)構(gòu)及合理整體布局，而整體結(jié)構(gòu)問題中首當其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說，就是計算結(jié)構(gòu)中信息的輸入、輸出問題。納米計算機要把海量信息存儲在一個很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來控制和協(xié)調(diào)計算機的諸多元件，而納米計算元件之間、計算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計算機設計的微型化而言，由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線”，這樣就有一些幾何學上的考慮和限制，連接的數(shù)量不可能無限制地增加。因此，納米計算機導線間的量子隧穿效應和導線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決。

（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設計、性能分析模擬環(huán)境

當前，分子力學、量子力學、多尺度計算、計算機并行技術、計算機圖形學已取得快速發(fā)展，利用這些技術建立一個能夠完成納米電子器件制備、操縱、設計與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于現(xiàn)有計算機的速度、分子力學與量子力學算法的效率等問題，目前建立這種迅速、敏感、精細的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。

三、交互式電子技術手冊

交互式電子技術手冊經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，根據(jù)美國國防部的定義：加注索引的掃描頁圖、滾動文檔式電子技術手冊、線性結(jié)構(gòu)電子技術手冊、基于數(shù)據(jù)庫的電子技術手冊和集成電子技術手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術手冊并不存在，大多數(shù)電子技術手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術手冊雖然代表不同的發(fā)展階段，但是各有優(yōu)點，較低級別的電子技術手冊目前仍然有著各自的應用價值。由于類以上的電子技術手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優(yōu)點。

簡單的說，電子技術手冊就是技術手冊的數(shù)字化。為了獲取信息的方便，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)需要一個良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術手冊的發(fā)展就是圍繞這一過程來進行的。

四、電子技術在時間與頻率標準中的應用

時間和頻率是描述同一周期現(xiàn)象的兩個參數(shù)，可由時間標準導出頻率標準，兩者可共用的一個基準。

1952年國際天文協(xié)會定義的時間標準是基于地球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期而建立的，分別稱為世界時（UT）和歷書時（ET）。這種基于天文方面的宏觀計時標準，設備龐大，操作麻煩，精度僅達10-9。隨著電子技術與微波光譜學的發(fā)展，產(chǎn)生了量子電子學、激光等新技術，由此出現(xiàn)了一種新穎的頻率標準——量子頻率標準。這種頻率標準是利用原子能級躍遷時所輻射的電磁波頻率作為頻率標準。目前世界各國相繼作成各種量子頻率標準，如（133Cs）頻標、銣原子頻標、氫原子作成的氫脈澤頻標、甲烷飽和以及吸收氦氖激光頻標等等。這樣做后，將過去基于宏觀的天體運動的計時標準，改變成微觀的原子本身結(jié)構(gòu)運動的時間基準。這一方面使設備大為簡化，體積、重量大減小；另一方面使頻率標準的穩(wěn)定度大為提高（可達10-12—10-14量級，即30萬年——300萬年差1秒）。1967年第13屆國際計量大會正式通過決議，規(guī)定：“一秒等于133Cs原子基態(tài)兩超精細能級躍遷的9192631770個周期所持續(xù)的時間”。該時間基準，發(fā)展了高精度的測頻技術，大大有助于宇宙航行和空間探索，加速了現(xiàn)代微波技術和雷達、激光技術等的發(fā)展。而激光技術和電子技術的發(fā)展又為長度計量提供了新的測試手段。

總之，在探討了近似計算在靜態(tài)分析中的應用問題、納米電子技術急需解決的若干關鍵問題和交互式電子技術應用手冊后，廣大科技工作者對電子技術在時間與頻率標準中的應用知識的初步了解和認識。在當代高科技產(chǎn)業(yè)日漸繁榮，尖端信息普遍進入我們生活之中的同時，國家經(jīng)濟建設和和諧社會的構(gòu)建離不開我們科技工作者對新理論的學習和新技術的應用，因此說，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實際應用價值是不足為虛的。

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（2）大量使用縮略語縮略語的大量使用是科技英語詞匯的另一特點。縮略語主要分三類：①首字母縮略語如VCD（VideoCompactDisk）、ADC（Analog-DigitalConverter）；②將原來的單詞縮略一部分字母變成新詞如inf（oinformation）、lab（laboratory）、kil（okilogram）；③將兩個詞合成縮略為一個詞，如transceive（rtransmitter+receiver）、positro（npositive+electron）。此外，科技英語詞匯有不少源于希臘語和拉丁語，使用詞根、詞綴如friction（摩擦力）、expansion（膨脹）、radiatio（n輻射）、combinatio（n組合）等。此外，還有不少新興詞匯，這些詞匯有的屬于新造詞，有的則為活用詞，如hyperon（s超子）、antimatte（r反物質(zhì)）、cyberspac（e信息空間）等。理解縮略語的使用方法后，在翻譯科技文章時就會胸有成竹。

（3）需要時使用減詞和增詞英語與漢語在語言使用和表達方面有些不同，在翻譯中，為更好地消除語言差異，翻譯者應在準確理解和把握文章內(nèi)涵的前提下，翻譯出符合中文表達習慣的內(nèi)容，這樣有時勢必要使用到一些增減詞，才能使翻譯表達順暢、正確。只有增減都恰到好處，才不至于讓讀者摸不著頭腦或產(chǎn)生歧義。減詞翻譯法又稱省略法或省譯法，指在譯成漢語時，把原文中的某些詞不譯出來。常見的有代詞、冠詞、動詞、介詞、連詞的省略。例如Allofusknowthattheconductivityofsemiconductorschangeswithtemperature.翻譯為“眾所周知，半導體的導電性隨溫度而變化?！保ㄊ∽g引導賓語從句的連詞that），如果不使用減詞翻譯法，則失去了中文句子表達的嚴謹和規(guī)范性，無法體現(xiàn)科技英語簡潔之美，甚至產(chǎn)生理解方面的歧義。增詞的翻譯是指譯者在英譯漢時，為了使譯文通順表達，在譯文中增加某些必要的詞，正確使用增詞法，能使譯文順暢、語義清晰。常見的增詞法有增加動詞、某些概括性的詞如inshort等。如TheletterIstandsforthecurrentinAmperes,Etheelectromotiveforceinvolts,andRtheresistanceinohms.字母I代表電流的安培數(shù)，E代表電動勢的伏特數(shù)，R代表電阻的歐姆數(shù)。（E和R后均省略了standsfor），這是增加原文中省略部分的翻譯法，如果不使用增詞法，則中文句子無法成句，意思無法準確理解。增譯和減譯都是科技英語翻譯中的實用和重要的技巧。翻譯者唯有牢牢把握科技原文的風貌，對專業(yè)、英語、中文都有一定了解，才能做到熟練、準確地翻譯，才能真實展現(xiàn)科技英語的科學之美。

二、電子科技英語的語法特點與翻譯對策

（1）普遍使用被動語態(tài)電子科技英語作為工程技術類知識的載體，其語法特點之一是被動語態(tài)的使用頻率遠高于主動語態(tài)。原因是被動語態(tài)可以使科技人員在句子的開頭就引出最重要的信息，被動語態(tài)將主語放在句首，讀者可以第一時間關注到關鍵信息，而且使用第三人稱的被動語態(tài)與使用第一、第二人稱主語的主動語態(tài)相比可使描述減少主觀色彩，更能體現(xiàn)科技論文側(cè)重推理和客觀準確的特點。如Threemachinescanbecontrolledbyasingleoperato“r.三臺機器能由一個操作者操縱?！?、Electronicsclosertothenucleusareheldmoretightlythanthoseintheouterorbits.“靠近原子核的電子比外層軌道上的電子結(jié)合得緊?！?、Theelectricresistanceismeasuredinohms“.電阻以歐姆為測量單位?！薄thasbeenprovedthatamaterial’sdimensionisoneofthefactorsinfluencingitsabilitytoconductelectric.“據(jù)證明，材料的尺寸是影響其導電能力的因素之一。”在翻譯中如能準確把握各種時態(tài)的“be+V.過去分詞”的被動語態(tài)結(jié)構(gòu)，加之一定的科技英語專業(yè)知識和中文素養(yǎng)，那么就不難做到翻譯的“忠實、準確、通順”，也就是“信、達、雅”。

（2）廣泛使用名詞化結(jié)構(gòu)名詞化結(jié)構(gòu)指表示動作意義的“名詞+of+名詞+修飾語”的語法結(jié)構(gòu)?？萍加⒄Z經(jīng)常使用名詞化結(jié)構(gòu)代替日常英語中用動詞表達的內(nèi)容，能使文章更為簡潔明了并能在有限的篇幅中承載更多的信息和內(nèi)容。電子科技英語中也廣泛使用名詞化結(jié)構(gòu)，使行文簡練、結(jié)構(gòu)緊湊。對比以下兩種翻譯：原文：數(shù)字集成電路對現(xiàn)代社會的影響是顯而易見的。譯文1：Theimpactofdigitalintegratedcircuitsonmodernsocietyhasbeenpervasive.譯文2：Itispervasivethatdigitalintegratedcircuitshasimpactonmodernsocietygreatly.顯然，譯文1的名詞化結(jié)構(gòu)要比譯文2的動詞結(jié)構(gòu)要言簡意賅、淺顯易懂。英漢互譯時也要注意此點并將名詞化結(jié)構(gòu)準確翻譯，不犯理解上的錯誤。

（3）大量使用定語從句和非謂語動詞結(jié)構(gòu)電子科技英語闡述定義或描述現(xiàn)象時常常需要對一些核心詞匯進行限定修飾。采用定語從句進行修飾，可使被描述的定義或現(xiàn)象的適用范圍更準確，如Thefirststageisatunedradiofrequency(RF)amplifier,themainpurposeofwhichistoimprovesignal-tonoiseratioandtoprovideasufficientdegreeofselectivity.翻譯為“第一級為調(diào)諧高頻放大器，其主要作用是改進信噪比并提供足夠的選擇性”，通過非限制性定語從句對RF的作業(yè)進行修飾，使得句子更為簡潔，表達更為嚴謹精確。又如Theinductorisacoilofwirethatmayhaveanaircoreoranironcoretoincreaseitsinductance.翻譯為“電感器是一組線圈，有的電感器是空心的（空氣芯），有的線圈中有可增加其電感量的鐵芯”。通過限制式定語從句對核心名詞wire進行限定修飾，使inductor的定義更加清晰準確。動詞不定式是非謂語動詞的一種，可在句中起名詞、形容詞和副詞的作用，可擔任除謂語以外的其它任何成分，它使整體句子結(jié)構(gòu)緊湊合理，指代關系更加明確、簡潔明了。如Theabilityofamaterialtoconductcurrentdependsuponthenumberoffreeelectronsinthematerial.“材料的導電能力取決于材料中自由電子的多寡”。Whenonewantstomeasuretheelectriccurrent,voltageandresistance,onehastouseelectricinstruments.“人們想要測量電流、電壓和電阻時需要使用電子儀器。”關注科技英語中的非謂語動詞用法，有助于準確和順暢翻譯好英語句子和篇章。

（4）詞序表達與中文不一致科技英文篇章中，還時有詞序表達與中文不一致的情況，此時，應清楚區(qū)分中英文表達習慣的不同，不生搬硬套，而是在正確理解原文的基礎上對語句加以結(jié)構(gòu)重組，以達到次序調(diào)整，保證翻譯的準確性。如Themaindevicefailuremodeissecondarybreakdown.如果直接譯為“主要器件的實效模式是二次擊穿”就錯了，應調(diào)整語序翻譯為“器件的主要失效模式是二次擊穿”。Whileacurrentisflowingthroughawire,thelatterisbeingheated.錯誤譯法是“電流流過導線時，電流在后面發(fā)熱”，正確譯法應為“電流流過導線時，導線就發(fā)熱。”

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1.1整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。

1.2逆變器時代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

1.3變頻器時代

進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2.現(xiàn)代電力電子的應用領域

2.1計算機高效率綠色電源

高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關電源

通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。

國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)

分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

3.1高頻化

理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術含量的價值。

3.2模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術就離不開了。

3.4綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。

現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優(yōu)良的開關電源。

總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。

參考文獻

(l)林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992

篇（10）

現(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術的具體應用。

當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經(jīng)濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。

1.電力電子技術的發(fā)展

現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。

1.1整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。

1.2逆變器時代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

1.3變頻器時代

進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2.現(xiàn)代電力電子的應用領域

2.1計算機高效率綠色電源

高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關電源

通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。

國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)

分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

3.1高頻化

理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術含量的價值。

3.2模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術就離不開了。

3.4綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。

總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。

參考文獻：