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【关键词】输入电阻,低输出电阻,放大倍数
1 射极输出器电路。
如图1所示电路为共集电极电路原理图,从交流通路可知及基极是信号的输入端,发射极是信号的输出端,而集电极则通过偏置电源Ucc接地(在交流电源中直流电源作短路处理),作为输入、输出回路的公共端,故称为共集电极放大电路。因为从发射极输出信号,故又称为射极输出器。
2 动态分析。
当放大电路有输入信号时,晶体管的各个电流和电压都含有直流分量和交流分量。直流分量一般即为静态值,由静态分析来确定。动态分析是在静态值确定后分析信号的传输情况,考虑的只是电压和电流的交流分量。微变电路法是动态分析的基本方法之一。所谓放大电路的微变等效电路,就是把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路,也就是把晶体管线性化,等效为一个线性元件。这样,就可像处理线性电路那样来处理晶体管放大电路。线性化的条件,就是晶体管在小信号(微变量)情况下工作。这才能在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。
(1)电压放大倍数
①电压放大倍数接近于1,但恒小于1。
(2)输入电阻
射极输出器的输入电阻ri也可从图2所示的微变等效电路经过计算得出,即
(3)输出电阻
可见射极输出器的输出电阻是很低的,由此也说明它具有恒压输出特性。
关键词:放大电路;图解法;交流负载线;叠加定理
中图分类号:TP18文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)01-110-03
Application of Superposition Theorem in Solving AC Load Line
XIANG Xiucen,LI Minghui
(School of Applied Sciences,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,341000,China)
Abstract:Graphic method is often used to study the waveform distortion and obtain the largest non-distortion output voltage,the key is to solve and draw the AC load line.Therefore,the solving of AC load line equation by superposition theorem is discussed.Then it is proved that the equations of direct coupled amplifier circuit are same and those of RC coupled amplifier circuit is not same.Thirdly,the algebra method to calculate the largest non-distortion output and analyze the waveform distortion is proposed.At last,compared with that by Thevenin theorem which is widely used in nowadays,the method to solve the equation of AC load line by superposition theorem has three advantages.
Keywords:amplifier circuit;graphic method;AC load line;superposition theorem
0 引 言
图解法是分析放大电路的一种基本分析方法,它常用于分析波形失真问题和估算最大不失真输出电压,而求作交流负载线是图解法动态分析的关键。但是,作为目前普通高等院校广泛使用的教材,文献[1,2]并没有给出交流负载线方程及其求解过程。文献[3-6]采用戴维宁定理推导出了阻容耦合共射极放大电路的交流负载线方程,但是在求输出回路的戴维宁等效电路时,需将耦合电容用直流电源替代,对初学者来说要理解这一代换的原因比较困难。
本文应用叠加定理分别求解了直接耦合共射极放大电路和阻容耦合共射极放大电路的直流负载线和交流负载线,证明了直接耦合放大电路的直流负载线和交流负载线相同、阻容耦合放大电路的直流负载线和交流负载线不同,提出了采用解析法可直接精确求解放大电路的最大不失真电压、分析波形失真。
1 直流负载线和交流负载线的定义
静态时,即直流电源单独作用时,晶体管管压降uCE和集电极电流iC的关系uCE=f(iC)表示的直线称为直流负载线,其与晶体管输出特性曲线的交点即为静态工作点Q。要使交流信号既能被放大,又要不失真,必须设置合适的静态工作点。
动态时,即交流信号源和直流电源共同作用时,晶体管管压降uCE和集电极电流iC的关系uCE=f(iC)表示的直线称为交流负载线,它是动态工作点Q′移动的轨迹。
2 由叠加定理求解直流负载线和交流负载线
2.1 直接耦合共射极放大电路
直接耦合共射极放大电路及其直流通路和交流通路分别如图1(a),(b)和(c)所示。根据叠加定理,可知:
uCE=UCEQ+uce,iC=ICQ+ic
其中:UCEQ和ICQ为直流分量,uce和ic为交流分量,uCE和iC为交、直流总量。由图1(b)可知:
UCEQ=VCC-RCICQ+UCEQRL
整理上式,可得:
UCEQ=
V′CC-
R′L
ICQ(1)
其中:V′CC=RLRC+RLVCC,R′L=RC∥RL。
将式(1)中的UCEQ和ICQ分别用uCE和iC代替,可得:
uCE=V′CC-R′LiC
(2)
在uCE-iC坐标平面内,画出式(2)表示的直线,可得图1(a)所示直接耦合放大电路的直流负载线,如图2所示,其与横坐标和纵坐标的交点分别为(V′CC,0)和(0,V′CC/R′L)。
图1 直接耦合共射极放大电路
图2 图1电路的直流负载线和交流负载线
由图1(c)所示的交流通路可知:
uce=uo=-(RC∥RL)ic=-R′Lic
(3)
于是,根据叠加定理,将式(2)和式(3)相加,有:
uCE=UCEQ+uce=(V′CC-R′LICQ)-R′LiC
=V′CC-R′LiC(4)
在uCE-iC坐标平面内,画出式(4)表示的直线,可得图1(a)所示直接耦合放大电路的交流负载线如图2所示。显然,由于式(2)和式(4)相同,故图1(a)所示直接耦合放大电路的直流负载线和交流负载线是同一条直线。这一结论可推广至所有直接耦合共射极放大电路。
2.2 阻容耦合共射极放大电路
阻容耦合共射极放大电路及直流通路分别如图3(a),(b)所示,而其交流通路则与图1(a)所示的直接耦合共射极放大电路的交流通路相同,仍如图1(c)所示。
图3 阻容耦合共射极放大电路
根据叠加定理,可知:uCE=UCEQ+uCE,iC=ICQ+ic。由图3(b),可得:
UCEQ=VCC-RCICQ
(5)
将式(5)中的UCEQ和ICQ分别用uCE和iC代替,可得:
uCE=VCC-RCiC
(6)
在uCE-iC坐标平面内,画出式(6)表示的直线,可得图3所示的阻容耦合放大电路的直流负载线,如图4所示,其与横坐标和纵坐标的交点分别为(VCC,0)和(0,VCC/RC)。
图4 图3电路的直流负载线和交流负载线
又由叠加定理可知,将式(6)和式(3)相加可得:
uCE=UCEQ+uCE=UCEQ-R′LiC
=UCEQ-R′L(iC-ICQ)
=(UCEQ+R′LICQ)-R′LiC
=V′CC-R′LiC
(7)
其中:V′CC=UCEQ+R′LICQ。
在uCE-iC坐标平面内,画出式(7)表示的直线,可得图3所示的阻容耦合放大电路的交流负载线,如图4所示,其与横坐标和纵坐标的交点分别为(V′CC,0)和(0,V′CC/R′L)。
显然,对于图3所示的阻容耦合放大电路,其直流负载线和交流负载线不同。这一结论同样可推广至所有阻容耦合共射极放大电路。
3 直流负载线和交流负载线的应用
在已知静态工作点Q的基础上,根据求出的直流负载线和交流负载线方程,解出UCEQ和V′CC,比较UCEQ-UCES和V′CC-UCEQ,二者较小者即为放大电路的最大不失真输出电压幅值,并由此可分析电路容易产生截止失真还是饱和失真,如何调整静态工作点Q可消除失真。
以上估算电路最大不失真输出电压、分析波形失真问题方法可称为解析法,与图解法[7-10]相比,更加简捷方便。
设电路参数为:静态时ICQ=2 mA,VCC=12 V,RC=RL=3 kΩ,晶体管饱和管压降UCES=0.6 V。
(1) 对于图1所示的直接耦合共射极放大电路,根据式(1)和式(4)可求得V′CC=6 V,UCEQ=3 V。因此,该放大电路的最大不失真输出电压的幅值为:
Uomax=min{(UCEQ-UCES),(V′CC-UCEQ)}
=min{(3-0.6),(6-3)}=2.4 V
由此可知,该电路易产生饱和失真,为增大电路动态变化范围,可适当降低静态工作点Q。
(2) 对于图3所示的阻容耦合共射极放大电路,根据式(5)和式(7)可分别求得UCEQ=6 V,V′CC=9 V。因此,该放大电路的最大不失真输出电压的幅值为:
Uomax=min{(UCEQ-UCES),(V′CC-UCEQ)}
=min{(6-0.6),(9-6)}=3 V
由此可知,该电路易产生截止失真,为增大电路动态变化范围,可适当升高静态工作点Q。
4 结 语
对于一般共射极放大电路,总可以应用叠加定理求出其直流负载线和交流负载线,并在此基础上用解析法可直接精确求解放大电路的最大不失真输出电压、分析波形失真。与文献[3-6] 中由戴维宁定理求解交流负载线的方法相比,由叠加定理求解交流负载线有以下三个优点:
(1) 由戴维宁定理求解阻容耦合放大电路的交流负载线时,在求解输出回路的戴维宁等效电路的过程中,需将耦合电容用直流电源替代,对初学者来说要理解这一替代的原因是比较困难的;而用叠加定理求解时并不需要做此替代。
(2) 用叠加定理求解交流负载线的同时也求出了直流负载线,有助于后续求解最大不失真输出电压的和分析波形失真,这是因为在计算最大不失真输出电压和分析波形失真之前必须已知电路的静态工作点Q。
(3) 由叠加定理求解交流负载线的方法与分析放大电路所遵循的“先静态、后动态”的原则相一致,这有助于正确理解交、直流共存,直流负载线和交流负载线等概念。
参考文献
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关键词:Multisim;单管放大电路;仿真分析;放大电路
中图分类号:TN7;TP39 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2017)05-0-02
0 引 言
模拟电子技术是电子、通信类专业的一门专业基础课。通过这门课的学习,使学生掌握电子电路的基本理论与基本实验技能,并初步具有电子电路的设计和创新能力。随着科技的发展,电子电路分析和设计方法实现了现代化和自动化,在教学中适当引用计算机辅助工具实现硬件设计软件化,让实验变得简单、方便,同时可帮助学生快速理解理论知识。使用Multisim软件不仅可以快速设计电路,还可与理论设计进行比较,为电路的进一步调试提供便利,极大地缩短了产品的研发周期。
本文以典型的单管放大电路为例,具体介绍了利用Multisim设计单管放大电路,并对其进行静态和动态分析,得到放大电路的静态工作点,分析静态工作点的影响因素;在动态分析的基础上得到了电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及带宽。
1 Multisim仿真软件功能及特点
学习电子技术,不仅要熟练掌握电子器件以及电路的基本原理、参数计算方法,更重要的是对电路的分析、应用以及开发。Multisim是一款在业内广泛采用的电子电路仿真与设计软件,其功能强大,能最大化满足使用者的需求,其拥有的专业功能可以轻松处理较为复杂的电路设计。它包含电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入,具有丰富的仿真分析能力,元件库中提供了大量仿真模型,确保了仿真结果的准确性、真实性和实用性,并集成了多种虚拟仪表,包含大量设计实例、课程设计和研究项目,使得实验更加简便快捷。
2 单管共射放大电路设计
根据NPN型晶体管的特性,设计一个输入电阻为Ri、输出电阻为Ro、电压放大倍数为Au的共射放大电路,电路设计具体过程如下:
(1)晶体管是放大的核心元件,输入信号为正弦波电压Ui。在输入回路中,加入基极电源VBB使晶体管基极与集电极之间的电压UBE大于开启电压UON,并与基极电阻Rb同时决定基极电流IB;在输出回路中,应该让集电结反向偏置,使晶体管处在放大状态,所以集电极电源VCC应该足够高,这里取12 V,基本共射放大电路如图1所示。
(2)在实际电路中,通常用一个直流电源代替基极电源和集电极电源,为了设置合适的静态工作点,在输入回路中增加一个电阻Rb1,得到如图2所示的直接耦合共射放大电路。
(3)加入输入信号时,图1的Rb和图2的Rb1上均有电压损失,减小了基极与发射极之间的电压差值,影响了电路的放大能力。由于电容有“隔直通交”的作用,在输入端加入大电容C1,使输入信号可以无损失地加在基极与发射极之间,在输出端加入电容C2,连接放大电路与负载。为了稳定静态工作点,并增大放大电路的交流电压增益,在发射极端增加一个电阻Re和一个电容Ce并联电路,具体电路如图3所示。
3 静态工作点分析
为保证放大电路不失真地对已知小信号进行放大,设置合m的静态工作点非常必要。将输入信号置零,使直流电源单独作用时,将基极电流、集电极电流、晶体管b-e间电压和管压降称为静态工作点Q,通常记为IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在图3所示的阻容耦合共射放大电路中,已知Vcc=12 V,Rb1=5kΩ,Rb2=15 kΩ,Re=2.3 kΩ,Rc=5.1 kΩ,RL=5.1 kΩ;晶体管的β=50,rbe=1.5 kΩ,UBEQ=0.7 V,分别取C1、C3、Ce为30 μF、10 μF、50 μF。根据晶体管特性以及回路方程,估算静态工作点。因为(1+β)Re>>Rb1∥Rb2,所以 :
(1)
(2)
(3)
(4)
然后通过Multisim的仿真功能与菜单栏Simulate选项中Analysis and Simulation中的DC Operating Point Analysis直接测出b、c、e的节点电压和Rc的支路电流。静态工作点分析如图4所示,其中V(b)=2.98 V, UCEQ=V(c)-V(b)= 6.80V-2.35 V=4.45 V, I(Rc1)=1.01 mA,由此可以看出仿真结果与理论估计值接近。
通过公式(1)~(4)可知,静态工作点与Rb2的取值有关,Rb2越小,静态工作点越高。将Rb2换成最大阻值为100 kΩ的滑动变阻器。改变Rb2,采用直流仿真方法测出四组不同阻值下的静态工作点,数据结果见表1所列,可以看出随着Q点的增高,IEQ越大。
4 动态参数分析
在电路的交流通路中,用h参数等效模型代替晶体管得到交流等效电路,这样的分析方式称为h参数等效模型分析。电容对交流信号短路,晶体管用h参数模型代替,画出图3的交流等效电路图如图5所示。电路的放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro称之为动态参数,根据电路的回路方程,可以得到动态参数的表达式:
(5)
(6)
(7)
在输入输出端接入万用表,设置为交流电压档,测得输入端电压为14 .142 mV记作Ui,输出端电压为1.173 V记作Uo,根据公式(5)计算得到放大增益Au为83.57,输入输出电压如图6所示。也可以放入双踪示波器,A通道连接输入端,B通道连接输出端,打开仿真开关,得到图7所示的输入、输出波形,可以看出输入输出波形有180°的相位差,并且输入波形被放大了81.5倍,与理论值相差甚微。
在输入端并联一个电压表,串联一个电流表,测得输入端电压和电流,通过计算得出输入端电阻Ri为1 kΩ;在输出端采用同样的方式得到输出电阻Ro为5 kΩ,电表均设置为交流档(即AC档)。由以上分析可知理论计算数值与仿真结果基本一致。
用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线,共射放大电路幅频如图8所示。由图可知中频电压增益为39.834 dB,根据频带宽度的测量原理,移动测试指针,使幅度值下降3dB,找到半功率点,低端频率fL约为134.4 Hz,高端l率fH约为1.425 MHz,同时计算出放大器的频带宽度fW=fH-fL≈1.4MHz。
5 结 语
利用Multisim仿真软件对单管共射放大电路进行设计和仿真,对电路的静态工作点和动态参数进行详细分析,理论与仿真结果基本相同。在仿真过程中充分利用Multisim的多种仿真方式,快速得到仿真结果,先仿真后制作增加了设计成功率,提高了实验效率。作为教学辅助工具,该设计方法对其他电子电路的设计有一定的参考价值与不可估量的作用。
参考文献
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[关键词]主线贯穿法;层次教学法;教学互动
1基本理论教学
理论教学是电子技术课程一个非常重要的环节,掌握电子电路基本理论,才能掌握和应用电子技术。模拟电子技术的特点是器件多、电路杂,理论不系统,分析方法不统一,内容显得凌乱,这给模拟电子技术教学带来了诸多不便。因此模拟电子教学应在以下几个方面有所改进:①系统性:即基本原理应具有系统性。模拟电子技术难点在于基本原理凌乱,涉及的内容杂,如对单级放大电路的分析,包括晶体管放大原理、放大电路的工作过程、静态工作点、各点的波形图、直流通路、交流通路和小信号等效电路等内容。内容虽多,它们有共同的特点:就是静态分析和动态分析及其等效电路。不仅仅单极放大电路要进行静态分析、动态分析,集成电路构成的各种运算电路也涉及静态分析和动态分析的内容。比如在单电源供电的情况下,集成运算放大器也有设置工作点的问题,不然会发生波形失真。因此,可以说模拟电子技术的基本内容就是直流分析、交流分析;基本原理就是工作点原理、图解法原理和等效电路原理;核心内容是放大电路,包括单极电压放大、功率放大和运算放大器放大电路。掌握了这些内容,就掌握了模拟电子技术基础。②内容归纳:即找出共性的内容。如小信号等效电路分析法对BJT、JFET和MOSFET组成的放大电路的分析,其基本原理是相同的,只因使用器件的不同,因而等效电路有所差异,分析方法是相同的。共射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路采用的分析方法也是相同的。集成运放构成的各种运算电路的分析方法是相同的,即运用虚断和需短的概念。内容相近的电路集中在一起讲解,分析方法统一,有利于学生理解。通过不同电路的分析,可以看出电路在性能方面的差异,在共性之中找到个性,这样可以增强学生的感性认识。找到共性,就找到了捷径,使教材的内容更简洁,从而减轻学生的负担。③分清主次:由于模拟电子技术的内容太多,不可能面面俱到。因此,在教学中分辨教材的核心内容和一般内容,核心内容就是教材的主要内容、根本内容,就是模拟电子技术从始至终的、内容密切相关的部分。对核心内容的讲解,就是为了让学生理解和掌握电子技术的基本原理、基本内容和学习方法,使学生迅速掌握电子技术的基本内容,即使学生快速入门。这样学生才能对本门课的学习产生信心。在课堂教学中建议采用以下措施:①主线贯穿法:即将教材内容按照原理分别归类,概括为几条主线,然后把教材内容在主线上串联起来讲解。把教学内容按照原理分类,使得教学有条理,有利于学生对基本原理的掌握。比如把模M电子技术内容划分为放大电路部分:其中包括单级放大电路、功率放大电路、集成运放构成的运算电路;信号发生和处理电路部分;直流电源部分;负反馈部分,每个部分内容按照电路原理依次展开,使得课程条理清晰、目标明确。②中心教学法:即教师在授课时,教学内容要重点突出,老师要说明这节课要讲什么内容或解决什么问题,即讲课要指出哪里是重点。这种方法能够提高学生的注意力。比如说图解法分析单级放大电路的工作原理,工作点的作用是什么,为什么要设置工作点,这是图解分析法的重点,各点波形的产生是动态分析的重点。对放大器动态指标的分析方法是单级放大器的重点。③教学互动:教师在授课中适当提出问题请学生回答,或者学生提出问题,教师回答。比较突出的问题进行课堂讨论,如为什么运算放大器的同相输入端电位和反相输入端电位相等?有反馈时相等,无反馈时相等吗?教师要善于在适当的时候提出问题,提出问题可以提高学生的注意力,引导学生进行分析判断,通过对问题的解答,加深对课堂内容的理解,比如甲类功率放大电路,电源电压12V,要想使其输出最大功率,静态电压VCE应该为多少。通过互动,激发学生的学习热情,加深对理论的理解,提高授课质量。④电路仿真教学。在课堂教学中,增加电路仿真内容,可以提高课堂教学效果。课堂上适当讲解电路的仿真分析、仿真电路各点电压波形以及电路参数对波形的影响等内容,增强学生的感性认识,促进学生对电路的理解。
2层次化教学
把教学内容分为几个层面,如单极放大电路;运算放大电路;信号产生和信号处理;反馈放大;直流稳压。半导体基础、二极管、三极管原理、单级放大器和运放构成的基本运算电路是第一层面;负反馈放大电路和频率特性是第二层;信号和波形产生电路是第三层面的内容;直流稳压电源是第四层内容。把教材的内容分成不同的层面有利于教师对教学内容的把握,可以根据学生的情况,适当增减教学内容。第一层是教材的核心内容,是学生必须理解和掌握的,否则,无法学习电子技术。第二层是对第一层的补充,主要介绍反馈对放大电路性能的影响,可以适当讲解。第三层是知识的扩展和电子技术的运用,可根据学时和学生接受能力适当删减。
3技能培养
电子技术不但是一门理论基础课,还是一门技术课,因此,要求学生在掌握理论的基础上,还要掌握实践技能。技能的培养离不开基本原理;同时技能的提高,能够加深对理论的理解。二者密切相关,缺一不可。技能的培养主要形式是实验教学,实验学时不应低于理论课学时的30%。实验教学的目标:①掌握仪器的使用;②学习测量方法;③检验电子电路;④电路创新。在确定实验题目和实验内容上,应按照教材核心内容选择,这样做有利于理论和实践的结合,加深对理论的理解。同时用学过的理论知识指导实验,起到互相促进的作用,如晶体管共射极放大器实验、射极输出器实验、正弦波发生器实验,与教学内容关系密切,通过这些实验能够提高学生对理论课的理解能力,提高动手能力和理论指导实践的能力。增加设计性实验,可以促进学生的思维能力、分析能力和设计能力的提高,可以促进学生更好地掌握理论知识,可以提高学生的实践技能。实践技能的培养是实验教学的最终目的。充分重视实验教学的重要性,采取措施,保证实验教学的重要地位。在课程考核中实验考核应占较大的比例。将计算机仿真技术引入实验教学和课堂教学,可以克服实验仪器、实验设备的限制。在实验教学中,可以根据教学内容的需要,将实验任务布置给学生,在教师的指导下先进行理论设计,然后进行仿真,完成仿真设计后,按照仿真电路装配实际电路进行调试。通过仿真实验,学生学习了电子技术自动化设计的方法,为其今后设计电子电路奠定良好的基础,对培养学生的综合素质起到了积极和促进作用。
电子技术是一门实践性很强的学科,掌握这门技术的唯一途径是实践。实践有两个好处:一是通过实践巩固所学的理论,二是通过实践能够发展理论。电子技术是在实践中产生的,也只有在实践中才能得到发展。课程设计是电子技术实践的一种有效途径。课程设计能够激发学生的学习热情,培养学生的创新能力。在课程设过程中,应遵循以学生设计为主,教师指导为辅的原则。课程设计的选题既要有实用性,又要和课程内容密切相关,这样让学生用课堂学过的内容、学过的电路完成课程设计任务。课程设计的主要目的就是让学生利用所学的知识解决实际问题,同时提高学生的实践能力。课程设计题目要选择和教材内容关系密切的设计题目:如功率放大器的设计、正弦波发生器的设计、声光控制照明灯等设计题目,引导学生,运用学过的原理和设计方法,采用自己熟悉的电路形式,完成电路设计,并通过仿真验证,对电路进行补充和修改,使电路更完善,最后进行安装调试,完成设计任务。
4结论
模拟电子技术一直是教学的一个难点,学生普遍感到学不懂。我们做老师的也经常思考如何把这门课程教好,经过几年的教学改革与课程建设,我们在学生的动手能力、创新意识培养、教学质量及教学效果的方面取得了一些成绩,找到了解决问题的方法。其核心内容是改变教学观念,把复杂的内容变成简单几个环节,从而使问题简单化。老师是教学的关键因素,通过改革使老师知道教学的主要内容是什么,教学重点是什么,哪些是必须教的,哪些是可以省略的,使老师能够灵活掌握教学内容,这样教学才能生动灵活。采用新的教学方法并打破传统教学方法,辅助多媒体教学和仿真等教学手段增强学生的学习兴趣,采用理论与践相结合的教学模式,加深理课堂内容的理解,培养动手能力。增加实践环节,课程设计多方面培养学生综合能力,使教学充满活力,切实提高教学质量。
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一、引起电路动态变化的原因
归结起来,引起电路动态变化的原因有如下几种情况:
1.滑动变阻器滑片的位置改变
2.电路中开关的闭合、断开、或者换向
3.非理想电表对电路的测试
4.电容器结构的改变
5.电路出现故障(断路或短路)
6.电路中有传感器等敏感元件
二、电路动态变化的基本分析方法
1.程序法
(1)基本思路:电路结构的变化,引起某部分电阻R的变化,引起总电阻R总的变化,引起干路电流I总的变化,引起路端电压U端的变化,引起固定支路上电流和电压的变化.
(2)判定总电阻变化情况的规律
a.当外电路的任何一个电阻增大(减小)时,电路的总电阻一定增大(减小)
b.若开关的通、断使串联的用电器增多时,电路的总电阻增大;若开关的通、断使并联的支路增多时,电路的总电阻减小.
图1
c.如图所示分压电路中,滑动变阻器可视为由两段电阻构成,其中一段与用电器并联,另一段与并联部分串联.设滑动变阻器的总电阻为R0,灯炮的电阻为R灯,与灯泡并联的那一段电阻为R,则分压器的总电阻为:R总=R0-R+RR灯R+R灯=R0-R2R+R灯=R0-11R+R灯R2.
由此可以看出,当R减小时,R总增大;当R增大时,R总减小.
2.极限法:因变阻器滑片滑动引起电路变化的问题,可将变阻器的滑动端分别滑至两个极端去讨论,进而得出一般变化情况的方法.
3.特殊值法:对于某些双臂环路问题,可以采取代入特殊值去判定,从而得出一般结论.
三、例析
图2
例1如图所示,电源电动势E=8V,内阻不为零,电灯A标有“10V,10W”字样,电灯B标有“8V,20W”字样,滑动变阻器的总电阻为6Ω,闭合开关S,当滑动触头P由a端向b端滑动的过程中(不考虑电灯电阻的变化)
A.电流表的示数一直增大,电压表的示数一直减小
B.电流表的示数一直减小,电压表的示数一直增大
C.电流表的示数先增大后减小,电压表的示数先减小后增大
D.电流表的示数先减小后增大,电压表的示数先增大后减小
解析图示电路是滑动变阻器R上部分与灯泡A串联,下部分与灯泡B串联,然后再并联,当P位置改变,导致总电阻变化,从而引起电流表、电压表示数变化.要知道P由a端向b端滑动过程中,总电阻怎样变化,必须要知道两灯泡的电阻.由P=U2R得:R=U2P,所以,RA=10210Ω,RB=8220Ω=3.2 Ω.
又知R滑=6Ω,所以P由a端向b端滑动过程中,上面支路的电阻总大于下面支路的电阻,且相差越来越大,故R总减小.由此可直接判断出电压表示数减小,电流表示数增大.正确答案为A.
点评本题属于滑动变阻器滑片位置变化而引起的电路动态变化,由于是双臂环路问题,故采取了算出具体数值,由极端法讨论的分析方法.
例2如图所示,一理想变压器原线圈接入交流电源,副线圈电路中R1、R2、R3和R4均为固定电阻,开关S是闭合的,V1和V2为理想电压表,读数分别为U1和U2;A1、A2和A3为理想电流表,读数分别为I1、I2和I3.现断开S,U1数值不变,下列推断中正确的是().
图3
A.U2变小,I3变小B.U2不变,I3变大
C.I1变小,I2变小
D.I1变大,I2变大
解析因为U1不变,由
U1U2=n1n2可得U2不变,断开S后,副线圈所在电路电阻R变大,由I2=U2R可知,电流I2减小.由U1I1=U2I2得I1=U2I2U1,故I1减小.电阻R3两端电压U3=U2-I2R1,故U3变大,I3=U3R2变大.综合可得正确答案为B、C.
点评本题是由于电路中开关断开,引起电阻变化,导致各部分电阻上的电压和通过的电流变化.由程序法进行动态电路分析的问题.
图4
例3两个定值电阻R1、R2串联后接在输出电压U稳定且等于12 V的直流电源上,有人把一个内阻不是远大于R1、R2的电压表接在R1两端,如图所示,电压表的示数为8V.如果他把此电压表改接在R2两端,则电压表的示数将( ).
A.小于4VB.等于4V
C.大于4V小于8VD.等于或大于8V
关键词:电子线路;课程内容;学习实践
电子线路课程是铁道信号专业的一门重要专业基础课程。随着电子技术的发展,生产现场的电子设备急剧增加,对电子线路课程的教学内容提出了越来越多的要求,课时和课程内容逐年增多。对专业设备的研发、设计、制造、施工、维护、使用都起着必不可少的作用,新技术、新装备大量投入使用,设备、技术更新换代周期大大缩短,因此在内容和思想方法上,必须经过科学的论证和总结,使之更符合大的认识规律,且能充分体现知识内涵的思想体系和鲜明的导向性。作为一门独立的学科,《电子线路》教学必须适应铁路职业技术教育的特点,形成以电子技术基本理论和基本电路分析方法为主的完整课程体系。
一、电子线路课程的特点及教学方法
电子线路课程是一门应用技术课程,具有较强的理论性和实践性。学生普遍感觉电子线路课程内容多、理论深、分析繁琐、难懂、难记、难掌握。首先,各个电子器件是构成不同电路的核心部件,电路的形式和功能的变化,器件在不同条件下的应用,对于器件的原理、特性必须讲够、讲透。学生是在高中知识和学完《电路基础》课程基础上进行学习的,按照专业教学计划的要求,学生做到基本概念牢固掌握,基本原理、特性透彻理解,为进一步学习电路奠定坚实的基础。作为专业基础课,其学习的质量将直接影响后续专业课的学习心理和学习效果。在教学内容上,除讲清器件的结构、原理、特性和参数外,还要着重强调非线性器件加偏置,以及改变偏置可以控制其工作状态的条件、特点、变量关系特征和模型。传统的单一教学模式,难以适应新的形势要求,必须对电子线路课程的教学内容、教学方法、教学手段加以改革,在教学上还应包括作为典型有源电路的恒流源电路的组成、静态、动态特征和电路模型,因为恒流源主要体现了器件的基本原理和基本特征,反映了有电源电路代替无源元件这一趋势。
二、电子线路课程改革思路
电子线路课程内容是随着电子线路的发展而发展的,电子线路课程的内容随着知识的积累逐年增多,可随着微电子技术和计算机技术的发展,特别是单片机技术和嵌入技术的发展,生产现场的设备向集成化、小型化方向发展。电子线路课程的课时数、教学内容在压缩,课程体系还是对各种电路分门别类、就事论事、面面俱到,增加了教学负担。因此在内容和思想方法上,必须经过科学的论证和总结,使之更符合认识规律,且能充分体现知识内涵的思想体系和鲜明的导向性。关键不在于课程内容的包罗万象,而在于对学生系统的、基本的思维和操作的训练、培养,授之以渔。依据这一原则思想,结合教学特点,对本课程的教改,分器件和电路两个方面谈谈看法。
首先,电子线路课程要学习基本电子器件,在电路部分应改变过去那种过分强调电路功能以至于以此来分门别类划分课程章节的方式,这种体系对于某些高等院校以电路设计作为重要内容的教学或许是合适的。这部分内容要突出各种电子器件不同工作状态的条件、特点、应用这条主线。
而对高等职业技术教育而言,对于电路功能只要通过电路分析能够正确识别和区分就可以了。电子器件是有源、有极、非线性器件,由静态到动态,由分立元件到集成电路,使用中必须加偏置,不同的偏置,在电子器件和偏置电路在直流电源作用下,静态工作点的设置、稳定过程的分析与计算。可以使器件工作于不同的工作状态,其静态分析的原理和方法可归结为具有共性的电路静态分析方法,不同的工作状态具有不同的特性,应用于各种形式的电路。
要使学生熟练地掌握各种工作状态的条件、特点和应用。教学内容上更主要的是电路的原理和基本分析方法,对基本电子器件的结构、原理有所了解,基本电子器件的特性、参数要讲透并且深刻理解,按照循序渐进的原则和人的认识规律,对于电路分析、选择、使用器件以及不同型号器件的替代是必不可少的,反映电路原理和分析方法的内在联系,总结出具有共性的原理和分析方法,也是实际工作中分析和处理电子技术问题所必需的。
其次,电路的动态分析要突出三种组态这条主线。在电路的动态分析中,无论电路形式、如何变化,我们必须抓住三种组态来进行电路分类,三种组态是基于对基本电子电路深入理解和高度概括的总结,作为一种思想体系贯穿全课始终,有着深刻的内涵。这是基于对电子器件原理、特性,用三种组态的思维方式对学生进行思维方式的训练,使学生深刻认识和对电路原理的透彻理解,可以在基本电路、简单问题上,并且进一步在复杂电路中灵活运用,无论分立元件电路,还是集成电路的分析得以简化,避免了每种电路对应一种分析方法的复杂局面,这种方法能适应新知识的发展。
当然,三种组态电路也有局限性,三种组态蕴含于放大电路的两种输入、两种输出的基本概念(同、反相,高、低阻)和变量控制关系的变化形式,电路的动态工作过程和电路分析,由于电路形式、功能的差异,利用负反馈手段可以解决,反复运用三种组态的思维方式和分析方法,在电路分析上可用于估算多极负反馈应用的具体形式,定性描述对电路性能的影响。利用三种组态和反馈的概念加以分析,使学生在简单问题和简单电路上做到深刻理解,可以利用估算法定量进行电路分析,作为电路的性能指标反映电路的特性,无论是分立元件电路还是集成电路的分析都具有实用性,其分析方法不外乎图解法和等效电路法,要使学生熟练掌握反馈组态、极性的判别方法。进而在复杂问题和电路中自如应用,可以避免每种电路对应一种分析方法的复杂局面。
总之,高等职业技术教育培养学生职业技能不仅是专业课的任务,通过《电子线路》课程的教学改革,要从基础课做起,培养学生的创新能力要贯穿整个教学过程,使学生由被动地接受变为主动地学习,培养出高素质、创新型的合格人才,从而真正实现高职教育教学改革的目的,使高职教育得到进一步的提升和发展。
参考文献:
[1]朱相磊.电子线路课教学改革的研究与实践.安徽电子信息职业技术学院学报,2004(4).
[2]王晓峰,王立梅.电子线路的故障诊断和测试点的选择.电子产品可靠性与环境试验,2001(4).
[3]陆中石.对高职模拟电子技术课程教学的思考.今日科苑,2009(24).
[4]刘静波.高频电子线路实践教学的建设和探索.电气电子教学学报,2006(4).
【关键词】电工学;教学改革;多媒体;课程考核
电工学是理工科非电类各专业学生必修的一门技术基础课,其内容由电路基础、电机与控制、模拟电子技术、数字电子技术等组成,其内容多而不精。而且随着电子技术的发展,电工学所包括的内容仍有越来越多的趋势。如何在有限的时间里让学生学好这门课,是长期摆在众多电工学教师前面的一个课题。本人多年来对机械类专业电工学的教学做了一些探索与改革,取得了一定的实效。
1.优化教学内容
依据课程教学基本要求,把内容分为牢固掌握部分、降低要求部分和非必需掌握部分。牢固掌握部分是本课程中最基本的部分,也是学生学习后续课程的基础。例如电路理论中的基尔霍夫定律,叠加原理,戴维宁定理及正弦交流电路的分析方法;交流放大电路的静态、动态分析,微变等效电路分析法及几种放大电路的分析比较;集成运算放大器的线性应用电路;数字电路中的逻辑门电路,组合逻辑电路的分析,双稳态触发器、寄存器、计数器等的必需部分。降低要求部分是专业中应用较少的内容,对于机械类专业来说,工业企业供电与安全用电、电工测量等内容,可采用自学的方式学习。而对于直流电机、存储器和可编程逻辑器件部分,可以列为非必需掌握内容。
基础理论部分可以适当压缩学时,在强调“应用”上下功夫。如半导体器件部分中,“PN结”方面的知识模块可以只简要介绍,加强大规模电路分析和设计方面的知识。对于大学物理中已讲授过的内容,在电工学中尽可能减少重复。比如磁路与铁心线圈电路章节中,磁场的基本物理量和交流铁心线圈电路等知识点就可以略去不讲。
教学中重点讲清基本概念,教会学生掌握基本分析方法,过于微观的地方可以不讲。比如对一些公式的推导,具体的计算过程可精简或删去。如一阶电路的经典求解法,一般授课都是每讲一种电路形式都要求解一遍微分方程,而改革后只简要地介绍一阶微分方程的由来和它的特解,然后可直接得出结论。
2.充分利用多媒体提高教学效率
传统的教学手段在有限的时间内难以传授大量的信息,而多媒体能够快速高效地传递知识信息,弥补传统教学方法的不足。多媒体教学能以生动、形象、直观的特点,通过视觉和听觉,全方位地辅导学生对问题的理解和记忆。
有人做过实验,采用纯听觉3小时,可记住所听内容的60%,采用纯视觉3小时,可记住所看内容的70%,而视听并用3小时,则可记住视听内容的90%,并且3天后的记忆率分别为15%、40%和75%。由此可见,运用视听并用的多媒体教学手段,可以提高教学时效。
不过制作电子教案的时候要注意,重点文字、图形必须突出显示。教案要使学生能在课堂上边看、边听、边记,课件演示的画面连续性和转换时间要适当,电子板书要逐行显示,所有的原理和公式均按逻辑推导得出,这样才能使学生的思路跟上,不至于影响教学效果。
同时还要注意,尽量发挥多媒体的视觉、听觉优势,通过文字、图形的动态和静态的配合、色彩的和谐搭配,使枯燥的内容变得生动、活泼、吸引学生的注意力。
3.提供学习资料,助力学生学习
现代社会已是信息时代,学生获取知识可以通过多种媒体和方式,而不再局限于课堂上。教师应该多为学生提供各类学习资料(参考书、课件等),创造一个良好的学习环境,让学生成为学习的主体。
电工学属于专业基础课,基本每节课都有作业。虽然老师可以很认真批改作业,但学生如果作业做错了,经常不懂如何改正。就算老师上课有对作业进行讲评,由于时间所限,也往往没办法仔细讲。如果学生想额外多做一些课本上的习题来提高自己,没有参考答案,也不知道自己的解答对还是不对。没有参考答案,阻碍学生提高自己的学习水平。
有些学生自行购买参考书,但是现在的参考书水平参差不齐,有些书的答案经常是错的。对学生反而起到误导的作用。基于此,本人每次批改完作业后都会分发相关的作业参考答案给学生,或者也推荐学生购买编写水平较高的参考书,如姜三勇主编的《电工学学习辅导与习题解答》(高等教育出版社出版)。
在批改完作业后,分发参考答案给学生,受到学生的热烈欢迎。有了参考答案,学生作业做错的地方一般就懂得如何改正。这对于提高学生的学习效果,起到了促进作用。
分发参考答案也有一个不好的地方,就是这个答案容易流传到下届的学生手中,造成下届学生上课时,手上就有了作业答案,自律性不高的同学有可能直接抄答案。不过如果照抄题解,自欺欺人地完成作业,就意味着他在欺骗自己的未来,酿造未来工作的苦果。大多数学生都能严格要求自己,一丝不苟地对待每次作业。
为了督促学生平时就注意学习,而不会变成照抄作业答案又不认真学习的结果。本人在平时教学中增加了小测的环节。每个学期不定期抽出两节课来作为学生的小测时间,测验的题目与学生平时作业的题目知识点相似。以小测的成绩作为给定学生平时成绩的主要参考。这样学生就比较重视课后作业的完成情况,并能够真正理解和掌握作业中相关的知识点。如果授课学时紧张,小测的时间也可安排在课外进行。
4.改革课程考核机制
大学的课程考核经常是采用一考(期末考试)定成绩的简单考核方式。这样导致许多学生平时不注意学习,而只是在考试前临时抱佛脚,或者寄希望于老师期末考试前给划个范围。这样也导致学风较差。为了改变这种状况,本人认为,一门课程的学习不仅仅是一个结果,更应该是一个过程。与之相适应,考核也应贯穿于整个教学过程。
具体措施为课程考核由平时成绩、期中考成绩和期末成绩组成。平时成绩、期中考成绩、期末考成绩在考核成绩中所占比例为:平时成绩30%,期中考成绩20%,期末考试成绩50%。
这个改革措施实施以来,取得了较明显的成效。有些学生开学初学习态度较差,上课也不怎么认真听讲,但通过及时的测验了解到自己学习成绩不行时,就及时纠正了错误的态度,认真学习起来。学风明显好转。
而且通过平时测验和期中考试,教师也可适当调整、改进教学,以解决测验中暴露的问题。
最后,在教学中不妨经常进行以下两点思考:
(1)如何在教学中尽量多使用启发式教学,调动学生学习的积极性和参与性,培养学生发现问题和解决问题的能力。
(2)电工学这门课的工程应用背景比较强,是否可以考虑试行研究性教学模式,将研究型题目的设计与实现引入理论课教学课堂,或者以让学生完成科技小论文的方式来培养学生的实践能力和创新精神。
参考文献
[1]陈洪亮,田社平,张峰.基本电路理论课程考核方式改革的探索与实践[J].中国大学教学,2009(02).
[2]闫继红.关于研究型教学模式初探[J].教育与现代化,2005(12).
模拟电子技术是一门技术性和实践性很强的课程,尤其在实践过程中,有很多因素影响实验结果,比如噪声、接地方式、强弱电隔离等,而这些因素往往是无法统一定量分析的,对于初学者来说就会觉得模电太难掌握,往往一个实验花很长时间都解决不了问题。如果把模拟电子技术作为第二课堂电子设计的第1门课,绝大多数同学都会因为模电琢磨不定,实验做不出来,结果丧失信心,无法坚持学习。而单片机则相对较简单,实践也容易出效果,把单片机作为第1门课,学生会在看到实验结果时获得成就感,从而建立信心增强对电子设计的兴趣。学完单片机然后再开始学习模电,有了之前建立的信心以及一些实践的方法,学生就有勇气面对困难,坚持不懈。学习完前面提到的两门基础课程的理论和实践之后,要把模电和单片机结合起来,安排两个培训项目:(1)语音采集与回放系统;(2)简易数控电源设计。通过这两个项目的培训,可以建立系统的概念,掌握一个完整项目的系统设计方法。考虑到电子设计不同项目对微控制器的不同要求,后续课程再安排FPGA相关课程及实验项目。前面各阶段培训之后,学生已经具备基本的电子设计的专业能力,之后的培训课程安排就必须要进一步提高学生的设计能力,力求把每一个电子设计的作品做到高指标、高精度。因此我们挑选一些难度较大,指标较高的电子设计题作为后一阶段的强训课程内容。第二课堂电子设计课程设置必须遵循由简到难、由局部到整体、由粗到精的原则。
二、第二课堂培训方法研究
第二课堂课程设置好之后,还必须注重培训方法。由于学生是刚开始接触电子设计,对很多东西都不懂,碰到问题也不知如何去解决,再加上刚开始跟学长们也不是很熟,也没怎么交流,导致在最开始的几个星期里会像个无头苍蝇到处乱撞,基本上拿到一个问题都不会自己独立地去思考,更不用说形成自己的方案甚至去实施自己的方案了。那么培训时,老师必须采取科学的方法,引导学生分析问题,解决问题。电子设计的培训基地为学生提供了很好的实践环境和实验条件,为了确保每一课程项目的培训都能提高学生的专业能力,一定要有合适的培训方法。电子设计重实践,但培训时一定要注意实践必须以理论为指导,引导学生从理论入手,通过实践验证理论设计是否正确,实践中遇到问题时又要上升到理论,补充理论知识,最后解决问题。培训过程中,切忌全程灌输,要启发学生独立思考,培养学生的自学能力,这样学生才能在提高专业能力的同时又具备一定的创新能力。下面以模电的实践培训为例,探讨第二课堂的培训方法。学生刚开始对模电的认识还是比较模糊。用分立元件实现10W的低频功率放大器,经过这个项目的培训后,学生的动手能力可以大幅提高,而且能建立对模电的具体认识。但这个项目难度也是很大的,培训时既要培养学生的自学能力和独立解决问题的能力,又要在适当的时候帮助学生找到解决问题的方法,以免学生长时间解决不了问题时丧失信心。根据题目要求,将5mV信号放大为10w×8Ω姨=8.94V,电压放大倍数为1788倍,单级放大电路不能满足要求,必须采用多级放大电路。因此,本次设计要用到差分放大电路,集电极输出的共射放大电路和乙类功率放大电路。培训时,首先要求学生自己通过《模拟电子技术》课本理解这三种电路的基本原理,包括放大电路的静态分析与动态分析。当学生具备理论基础后,指导学生确定直流电源电压及进行器件选型,各级三极管的型号根据UCEO,ICM和PCM三个参数确定。三极管型号确定后,学生就可以结合电路指标和三极管的放大系数确定各级静态工作点及动态范围,最终独立设计出完整的低频功率放大器电路图。此时的电路设计还完全停留在理论设计,由于学生理论水平有限,设计出的电路多少都存在问题,不过经过后面的调试后,电路会逐步得到改善,所以老师不必在这个阶段指出问题,要培养学生独立发现问题并且解决问题的能力。接下来,要求学生按自己设计的电路先焊接输入级差分放大电路,调试好后再焊接调试中间放大的共射放大电路。当这两级电路联调时,大部分同学会发现电压放大倍数比两级单独设计的放大倍数的乘积要小得多,但每级单调时又与理论设计符合。出现这个问题后,学生往往无法找到真正原因,自然也无法把问题解决。其实问题在于学生对多级放大电路的放大倍数计算没有理解清楚,他们只知道整体放大倍数等于各级放大倍数的成绩,而这里各级放大倍数已经不是每级独立的放大倍数了,还要考虑前后级输入输出电阻对各级放大倍数的影响,所以这时要提醒学生查阅多级放大电路的放大倍数的计算方法。理解了这一点后,学生就知道了问题所在,进而找到办法,通过增加射级跟随电路把两级电路隔离,就解决了这个问题。经过一段时间的培训,学生基本上可以简单地去分析一些问题了,尽管分析得还不是很全面,但至少不会像最开始进实验室的那种碰到问题无从下手的问题了。拿到题目,首先就是将题目进行仔细的分析,将题目要求做的系统分成若干个小的模块,再逐个完成。在完成各个小模块的同时,学生会碰到很多之前还没有考虑到的一些细节,由此可能会产生一些问题,这时就需要去网上找相关的资料来解决这些问题。最后每个模块完成后,需要将它们结合在一起形成一个系统来完成想要完成的功能,在此过程中又会碰到两个模块之间相互影响、参数不匹配等问题,这又需要我们去解决匹配与相互影响的问题,在解决这些问题的同时学生的能力也得到了提高。在培训时,要求学生在规定时间内完成规定的题目,在做的过程中会出现各种意想不到的情况,所以必须在尽可能短的时间内找出问题和解决问题。不懂的知识可以去学习,硬件、软件调不出来,只要有耐心,认真分析总能找出原因,从而找到解决问题的方法。出现问题时应保持冷静、沉着,不应急躁,急躁也不能解决问题,说不定还会造成更严重的问题。这在一定的程度上使得学生的应变能力得到提高。其次,是团队精神的培养。在做项目时非常需要团队精神,三个人必须互相信任、互相配合、分工合作,只有这样才能在最短的时间内完成项目。在顺境时小组成员要相互提醒保持冷静,逆境时要相互鼓励共度难关,出现问题时不能相互埋怨一个实验能否顺利地做成功,取决于每一个小组成员之间的相互沟通,比如,做硬件的告诉写软件同学的思路,以及硬件上面可能存在的一些问题,是否在软件上面可以得到弥补,如果可以,就让软件去弥补弥补。如果软件弥补不了的,就去解决硬件上面的问题,争取让软件和硬件相辅相成。大家都减轻负担。同时也应该充分认清楚自己小组之间的强项,比如,小组在软件上面存在着一些不足,那么做硬件的就尽量去为软件的减轻负担,让实验能够顺利地进行。或者当软件比较简单的时候,负责软件的同学就告诉在软件上面哪些地方可以弥补硬件上面的不足,这样做到软硬结合。随着所做项目的增多,经验积累增多,后面所做的项目也越来越难,每个项目给的时间也越来越紧,要想在规定的时间内完成任务,就不能像之前那样拖拖拉拉,而且单凭个人能力是无法做到的,这时学生开始真正意义上的分工合作。最开始同学们本打算自己都尽快地完成自己的那一部分,然后争取提前两天完成每个项目,然后每个组员再将自己负责的那一部分讲给小组其他成员听,以及在这过程中应该避免什么问题,让小组其他成员在此基础上加以理解并消化,争取让每个小组成员都尽可能多地学到东西。但在实际中,或许是题目太难,又或者是配合得不够好,总是在每个项目快要截止的那天才能做出来,甚至有的项目在超过截止日期之后还没做出来,又由于时间紧迫,所以每个项目做完之后也没什么时间进行小组内部交流,小组内部成员学到的东西都有一定的局限性,这也预示着在接下来的日子里还有更多的东西要学,丝毫不能有半点松懈。
三、结语