模塊化電工電子平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，職業(yè)學(xué)校如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才和科技人才，這是廣大教師和科技人員面臨的新問題。目前，國(guó)內(nèi)外很多生產(chǎn)廠商的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器和設(shè)備仍存在著許多不足之處。

一、電工電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理

電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功用主要是為電工電子工程人員提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)、研發(fā)的平臺(tái)。它的工作原理籠統(tǒng)地說就是為實(shí)驗(yàn)者提供電源、電子元件、信號(hào)及各種附加功能，滿足實(shí)驗(yàn)者在平臺(tái)的基礎(chǔ)上搭建各種實(shí)用電路的要求。一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須向?qū)嶒?yàn)者提供一個(gè)操作平臺(tái)，以滿足實(shí)驗(yàn)者完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的要求。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)也主要體現(xiàn)于此。考慮到各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中所用到的具體電子元件不同，我們將一些具有通用性的元器件制作在一個(gè)電路板上，這塊電路板將作為其他所有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此它可被稱為母板。在進(jìn)行功能分析時(shí)，對(duì)于母板它應(yīng)具備一些基本的實(shí)驗(yàn)功能。此外母板還需要為模塊電路提供實(shí)驗(yàn)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)電源等。實(shí)驗(yàn)信號(hào)既可由母板產(chǎn)生，也可由外部輸入，通過母板傳遞給模塊。

二、電工電子平臺(tái)設(shè)計(jì)方案確定

1.電源部分的設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電源輸入為220V， 50Hz交流電。電源模塊通過濾波整流以后為系統(tǒng)提供±5V、±12V， 0-12V的電壓。按照一般電源的設(shè)計(jì)，這部分將采用先由變壓器調(diào)壓，然后濾波整流，再送到三端穩(wěn)壓器輸出直流電壓的常規(guī)方法設(shè)計(jì)電路。

2.母板設(shè)計(jì)方案

母板是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，它為各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供最基本的元器件和功能。主要有:

(1)為各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供電源。在母板上將會(huì)提供各種電源的輸出插口，包括±5V、±12V， 0-12V，實(shí)驗(yàn)者可用導(dǎo)線將電源引入到實(shí)驗(yàn)中。

(2)提供邏輯高低電平。邏輯高低電平是電子實(shí)驗(yàn)所必須的。

(3)二極管顯示。發(fā)光二級(jí)管的導(dǎo)通與截止用來指示電平的高低。

(4)上升沿和下降沿觸發(fā)電平。這些電平可以作為一些芯片的輸入，例如觸發(fā)器就需要這樣的觸發(fā)信號(hào)。

(5)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字電路中用途廣泛，例如分頻電路，計(jì)數(shù)電路等。

(6)反相器。反相器的功用自然是將高低電平反相。此外由于該反相器用施密特觸發(fā)器設(shè)計(jì)，所以它還可用于波形變換，把變化緩慢的周期信號(hào)變換為矩形信號(hào)。

(7)七段碼顯示。七段碼顯示將由二一十六進(jìn)制譯碼器及半導(dǎo)體數(shù)碼管組成。向它的四個(gè)不同的輸入端輸入高低電平就能顯示0-F的十六位數(shù)。

(8)蜂鳴器。可用于鑒幅，當(dāng)輸入電壓高于一個(gè)門檻電壓時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲。

(9)音頻放大及揚(yáng)聲器。這部分功能是把音頻信號(hào)放大并通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲音。用于音頻放大的芯片和揚(yáng)聲器是獨(dú)立的，可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇使用。

(10)可調(diào)電阻。提供了三個(gè)常用的可調(diào)電阻：分別為lkΩ，l0kΩ(兩個(gè))。

(11)繼電器。兩個(gè)完全相同的小型低功率繼電器。每個(gè)繼電器都會(huì)提供四個(gè)接口：常開接口，常閉接口，公共端，輸入端。當(dāng)輸入端是高電壓時(shí)，繼電器發(fā)生動(dòng)作。

鑒于以上各部分功能和元器件關(guān)聯(lián)性不是很強(qiáng)，所以它們的設(shè)計(jì)也是采用分別設(shè)計(jì)，綜合布置的方法。

3.查錯(cuò)功能設(shè)計(jì)方案

查錯(cuò)功能是通過人為的改變實(shí)驗(yàn)電路影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)者則通過觀測(cè)和分析找出影響結(jié)果的原因。實(shí)驗(yàn)者可遵照實(shí)驗(yàn)的要求預(yù)先選擇一定的功能，使繼電器動(dòng)作，通過開關(guān)閉合或斷開造成實(shí)驗(yàn)電路的改變。為了便于操作，查錯(cuò)電路的功能選擇部分應(yīng)該位于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。考慮到美觀及使用安全，把繼電器實(shí)現(xiàn)部分置于系統(tǒng)內(nèi)部。繼電器由功能選擇產(chǎn)生的信號(hào)控制，選擇不同的功能則會(huì)使對(duì)應(yīng)的繼電器發(fā)生動(dòng)作。基于這樣的考慮，很自然的將查錯(cuò)功能部分分成兩塊電路板來實(shí)現(xiàn)，一塊產(chǎn)生控制信號(hào)，另一塊實(shí)現(xiàn)繼電器動(dòng)作。

4.實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)方案

由于采用模塊化設(shè)計(jì)，不同的實(shí)驗(yàn)使用不同的模塊，所以需要設(shè)計(jì)一套PCB板，以滿足電工電子實(shí)驗(yàn)的要求。模塊將有一系列的電路板組成，為了配合實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)電路板都涉及到電工電子的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊主要包括:

(1)電子技術(shù)模塊。利用該模塊用戶可以搭建一些基本的邏輯電路。通過這些電路，熟悉并掌握邏輯運(yùn)算。

(2)電路芯片模塊。為用戶提供基本的集成電路芯片，利用這些芯片實(shí)驗(yàn)者可以搭建譯碼，解碼，加法運(yùn)算，移位鎖存等基本電路。

(3)運(yùn)算放大器模塊。利用板子上的運(yùn)放電路用戶可以自行搭建包括加、減、積分、微分、比例等各種運(yùn)算放大電路。

(4)直流、交流電路模塊。提供了可供選擇的電阻、電容、二極管等元件。用戶即可自己設(shè)計(jì)也可按實(shí)驗(yàn)要求搭建直流或交流電路。

(5)三極管應(yīng)用電路模塊。利用實(shí)驗(yàn)板上的三極管、達(dá)林頓管，用戶可以研究三極管在放大電路，射極跟隨等電路中的應(yīng)用。

(6)晶閘管應(yīng)用電路模塊。介紹晶閘管的基本應(yīng)用電路，包括整流、調(diào)相等應(yīng)用電路。

(7)單片機(jī)仿真電路模塊。用戶通過該模塊，可直接完成PIC系列單片機(jī)的仿真，調(diào)試，并用以實(shí)現(xiàn)一些基本功能。

5.電路板之間的關(guān)聯(lián)

電路板設(shè)計(jì)并制作好以后，需要用導(dǎo)線將它們連接起來組成一個(gè)系統(tǒng)。為了便于拆裝，對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的電路板可以在電路板上焊接單列直插式單排插座，并用排線連接。系統(tǒng)外部面對(duì)實(shí)驗(yàn)者的電路板則要盡量減少導(dǎo)線連接，即使用導(dǎo)線連接也不應(yīng)裸露在外部。

三、結(jié)論

面對(duì)即將到來的21世紀(jì)，應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上大力推進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革，提高教學(xué)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和對(duì)市場(chǎng)需求的適應(yīng)性。將平臺(tái)的功能劃分為電源、母板、查錯(cuò)功能電路及實(shí)驗(yàn)?zāi)K等幾個(gè)部分，明確了各硬件電路所要實(shí)現(xiàn)的功能及擬采用的初步方案，完成了電工電子平臺(tái)整體設(shè)計(jì)。這樣一來，我們就可以實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生自已設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自行分析實(shí)驗(yàn)，逐步過度到所有設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)都讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)。