“模拟电子技术”课程教学中巧用PPT动画功能

2012-10-12王桂星章国安宋长青

电气电子教学学报 2012年1期

王桂星，章国安，宋长青

(南通大学电子信息学院，江苏南通226019)

“模拟电子技术”课程具有很强的实践性和广泛的工程应用背景，教学内容往往涉及到许多元器件、基本功能模块和一些实用电路。用PPT软件恰当地运用现代教学技术和手段，在教学课件中以动画的形式，模拟一些实际电路中的动态过程，可为学生创造一些生动的学习情境［1]。本文结合教材［2]，介绍一些典型动画的制作过程和播放过程效果。

1 动画制作实例

1.1 放大状态下BJT内部载流子传输

图1是表示BJT内部载流子传输过程的动画效果截屏图，其中实心圆圈表示电子载流子、空心圆圈表示空穴，且采用不同的颜色加以区分。点击播放后，电子载流子源源不断地从发射极流出，经过基区时与空穴复合，其余的电子载流子流过集电区后消失。与此同时，集电极和基极也分别有电子载流子不断地流出，经过各自的直流偏置电源(VCC或VBB)后流入发射极。图中表示反向漂移电流ICBO的箭头中有一个空穴和电子在反复慢速移动，分别表示集电区和基区的少子在电场力的作用下的漂移运动;另一个箭头中的空穴表示基区的多数载流子，从上至下的方向在箭头中连续移动，表示基区的空穴由浓度差引起的扩散运动和由此产生的电流IEP。此外，表示电流IEN、ICN和IBN的大箭头和IEP类似，已在截屏图之前出现过，此处不再赘述。

图1 BJT内部载流子传输过程动画

该动画生动形象地显示出BJT内部载流子的扩散运动和漂移运动，动态展示了各种电流产生的机理及其分配关系，使原本抽象的BJT内部的工作过程变得直观明了并在教学中起到化难为易的作用。

1.2 共射放大电路动态工作过程

图2是共射放大电路动态工作情况的动画效果截屏图，由基本电路、输入输出特性曲线、静态工作点、各点电压(电流)的波形和必要的标注说明等组成。动画效果如下:在基极输入正弦信号的作用下，输入端的实时工作点在输入特性曲线上来回移动，集电极输出端的实时工作点同步在交流负载线上运动，同时放大电路中各点的电压、电流波形都在各自的静态工作点上随之同步变化。图2是在输入正弦信号变化到大约3/4周期时的动画效果截屏图。采用类似方法，可制作表示饱和失真或截止失真情况的动画。

图2 共射放大电路动态工作情况的动画

该动画直观地显示出在输入信号作用下，基本共射极放大电路中直流偏置的作用、各点电压、电流波形的幅值大小和相位关系，将现实中原本动态、而在教材中只能静态描述的内容以动画的方式显现出来，学生就能对这部分内容形成一个完整的、形象化的概念，对动态工作过程有了全面认识。

由于该内容是教学中的重点、难点之一，因此在动画编排时制作了两套可先后播放的内容:①先编排能在屏幕上逐步动态呈现的教学内容，依序为静态时的工作点、静态电压(电流)值、输入信号的加入、输入端实时工作点的变化和输出端的电压、电流波形等;②通过插入幻灯片副本的方式，再获得完全相同的另一张幻灯片，重新编排动画，使各点电压、电流的波形和实时工作点可连续、同步变化。

1.3 桥式整流电路

图3是桥式整流电路在正半周工作时的动画效果截屏图。图中电压源v2表示变压器的输出信号，即桥式整流电路的等效输入信号源(负半周工作时可自动旋转1800)。图右侧的波形上虚线表示输入电压、负载上的电压和电流在整个周期中的波形，左侧的电路图上箭头表示电流的流动方向。此外，图中还采用粗实线加有色填充制作了表示电压、电流的完整的波形图，并用一组无线条颜色、白色填充的矩形方框覆盖。这些波形在动画播放后将逐步显现，如图3中的部分实线波形所示。

图3 桥式整流电路在正半周工作时的动画

单击幻灯片播放键后，表示电流方向的红色箭头在v2的正极性端出现并流出，通过二极管D1、RL和D3后流向v2的负极，箭头的移动的表示电流流动，便于动画播放结束后教师在课堂上进一步分析。在电流流动的过程中，各点的电压和电流波形也随之缓慢变化，在半个周期结束时箭头也正好到达v2的负极。

2 动画制作技巧

2.1 电流的模拟

在“1.1 BJT内部载流子的传输”动画中，主要有两种类型的电子载流子流动。一种是发射区通过基区向集电区发送电子载流子，制作中采用了四组完全相同的6×7电子矩阵，放置在发射极的下方，并用无色线条、白色填充的矩形覆盖，其动作路径均由发射区指向集电区。该动画效果选择“重复次数—直至幻灯片末尾”和“播放动画后隐藏”等。第一组电子矩阵的移动采用“单击开始”，其后三组分别延时1.5秒、3秒和4.5秒，均采用“从上一项开始”触发。另一种是单个电子连续不断地在规定路径上的定向运动，如图2中载流子从集电极源源不断地流出的电子，经过电阻RC和偏置电源VCC后流入发射极。

2.2 多种元素的同步变化

动画中波形或其它元素的同步变化最主要的制作技巧是灵活运用“触发方式”、“延时时间”和“重复次数”。例如，在图2所示的动画中，输入端和输出端的实时工作点同步运动的制作过程如下:选用“自定义动画—动作路径—绘制自定义路径—任意多边形”命令，分别在各自的特性曲线上绘制出实时工作点的运动路径。动画编排:触发—从上一项开始、速度—非常慢、效果选项—平稳开始和平稳结束、延时—10秒(输入端的工作点)或15秒(输出端的工作点)，重复—直至幻灯片末尾。播放效果:输入信号vS变化两个周期(10秒)后，输入端的实时工作点随之同步变化，再延时5秒后，输出端的实时工作点也随之同步变化，直至播放结束。

2.3 超慢速变化的实现

PPT软件中提供的单个动画速度最慢的是5秒(“非常慢”选项)，如果需要更缓慢的动画效果，需通过一些特殊方法实现。例如，在图3所示的动画效果中，当表示电流的箭头从v2的“+”极性端经过D1、RL和D3流向“－”极时，所需时间大约为20秒，对应的正弦信号前半周的变化也应该是20秒，远远大于软件提供的5秒，无法直接实现。解决方案如下:首先在幻灯片的底层放置用粗实线表示的正弦波形，然后用一组无线条颜色、白色填充的矩形框将其覆盖，每个矩形的动画均设置成“退出—自左侧”，退出速度、开始方式根据整个动画编排灵活选择。播放效果:当白色填充的矩形框逐步退出时，视觉效果犹如正弦信号从左向右缓慢变化。

2.4 幻灯片切换方式应用

有些复杂的动画内容需要制作在几张幻灯片上，如桥式整流电路正负半周波形(两张幻灯片)。为了获得动画连续播放的效果，制作时必须注意以下几点:①后一张幻灯片必须采用“插入幻灯片副本”的方式获取，在保留前一张幻灯片动画最后时刻的画面并删除所有动画效果后，再制作、编排新的动画内容或动画效果;②在设置幻灯片的切换方式时，选择“垂直百叶窗—慢速—应用于全部幻灯片”功能，可达到播放时两张幻灯片无明显切换痕迹的效果［3];③在幻灯片的换片方式中再选中“每隔—00:00”。通过上述设置，在第一张幻灯片播放结束后将自动转换到第二张幻灯片的动画播放。