模擬電子技術故障模擬實驗箱開發的創新實驗*

黃亮　侯建軍　馬慶龍　陳新　李趙紅（北京交通大學電子信息工程學院國家電工電子實驗教學示范中心，北京100044）

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模擬電子技術故障模擬實驗箱開發的創新實驗*

黃亮侯建軍馬慶龍陳新李趙紅
（北京交通大學電子信息工程學院國家電工電子實驗教學示范中心，北京100044）

摘要：模擬電路的可靠性對電子系統的穩定性和安全性起著至關重要的作用。本文借助大學生創新實驗計劃平臺，開發了一款模擬電子技術故障模擬實驗箱。模擬電路故障模擬實驗箱具備電路板方便插播、自動接入電源和信號、可以自由選擇故障類型等特點，達到了模擬電子技術教學和科學研究的使用要求。

關鍵詞：模擬電子技術；故障模擬；實驗箱；創新實驗

Abstract:The reliability of analog circuits is vital to the stability and the security of electronic systems. Using the platform of the undergraduate innovative experimental project, a fault simulation experiment box of analog circuits is developed in this paper. The fault simulation experiment box has the following features: circuit boards are easy to plug and unplug; circuit boards can get power and input signals automatically; fault types can be selected optionally. The experiment box can satisfy the demands of analog electronics teaching and researching.

Keywords:analog electronics; fault simulation; experiment box; innovative experiment

電子電路是計算機、通信與自動化等系統的硬件基礎，與工業生產和日常生活息息相關[1]。隨著現代電子工程的發展[2]，電路系統的復雜程度越來越高，系統規模越來越大，對電路系統的故障模擬技術與可靠性提出了更高要求。一旦電子電路發生故障，系統將無法正常工作。除了電路分析與電路設計，電路故障模擬與診斷技術也是電子技術領域重要的教學與研究重點。電路故障模擬與診斷技術不但能夠進行故障定位和故障排除，還能指導電路系統的設計與生產，幫助改進電路系統生產工藝與設計，從而全面保證電路系統的質量和性能。

電子電路系統往往是由模擬電路與數字電路共同組成的綜合系統。有資料表明[3]，雖然模擬電路在所有電路系統中僅占15%左右，但是由模擬電路故障導致的電路系統故障高達80%，模擬電路故障率高發降低了電路系統的整體可靠性。例如電阻是電路系統的最常用元件，但是電阻在電路工作時會發熱，容易出現阻值變化或燒毀等故障。電容由于老化或電解質泄漏而導致電容值下降或鼓包等故障。由于模擬電路在電路系統中具有不可替代性，模擬放大電路與模擬電源是所有電路系統必不可少的組成單元，模擬電路的安全性與穩定性對電子電路系統可靠性起著至關重要的作用，對模擬電子技術故障模擬技術進行深入研究很有必要。

一、模擬電路故障模擬實驗箱的要求

北京交通大學自2007年開始[4]，遵循“興趣驅動、自主實驗、重在過程”的原則，培養大學生的創新意識、實踐能力和團隊精神，調動大學生學習的創造性和主動性，進行以解決問題為核心、以科研課題為依托的大學生創新性實驗計劃[5]。“模擬電子技術故障模擬實驗箱的開發”作為一個北京交通大學大學生創新性實驗計劃題目，依托指導教師的科學研究課題，開展了模擬電路故障模擬與診斷技術的研究。本實驗課題需要學生掌握電路設計、PCB、系統焊接與調試、機械制作等多領域知識。實驗題目需要利用的資源包括計算機、PCB設計軟件、示波器、信號源、焊接工作臺、直流電源、鉆孔機、模擬電路實驗箱等。

“模擬電子技術故障模擬實驗箱的開發”題目要求如下：制作一個教學和科研均可使用的模擬電路故障模擬實驗箱，實驗箱附帶方便插拔的常見模擬電路板（例如共射放大電路、電阻網絡、文世橋振蕩器或二階濾波器等）。自制實驗箱直流穩壓電源（＋12V、-12V、＋5V）和波形發生器。模擬電路板插入實驗箱后，借助實驗箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動實現電路板的供電連接與信號輸入（若電路板需要特殊信號，可以在電路板預留插口以方便外接信號源）。每個模擬電路板選取最容易發生故障的元件進行故障模擬，使用者能夠自由選擇電路板和故障類型（可以通過撥碼開關控制故障元件）。每個電路板預留幾個關鍵節點插口，以供外接示波器或其他測量儀器觀察故障信息。要求實驗箱實物外觀精致，具有較強的實用性，能夠達到教學、科研和展覽等要求。該實驗計劃題目的創新特色在于：可以自由切換模擬電路板；自動實現電路板的供電連接和信號輸入；可以自由選擇故障元件和故障類型。

二、模擬電路故障模擬實驗箱的制作

模擬電路故障模擬實驗箱的外殼選用中小型實驗箱，然后自己進行改裝，需要鉆孔、安裝其他部件、噴涂文字標識等。實驗箱附帶幾塊方便插拔的常見模擬電路板，實驗板可以是模擬電路教學或研究中經常使用的常見模擬電路。實驗箱直流電源使用220V交流電，內部直流電源將220V交流電變為＋12V、-12V和＋5V等直流電。直流電源的功率和穩定性達到模擬電路板的使用要求。如果某模擬電路板需要使用正弦波或方波等波形作為輸入信號，實驗箱可以根據需求制作波形發生器。

模擬電路故障模擬實驗箱在四個角預留可以插入模擬電路板的插槽，需要精心設計實驗箱的固定插孔和電路板的固定腳，從而實現模擬電路板的靈活插拔。實驗箱部分固定孔已經與直流電源連接，當模擬電路板插入實驗箱后，通過實驗箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動實現電路板的供電連接或信號輸入。如果模擬電路比較特殊，也可以根據需要在模擬電路板上設計電源開關，通過開關控制是否供電或輸入信號。模擬電路故障模擬實驗箱實物如圖1所示。

圖1　模擬電路故障模擬實驗箱

部分電路板電路圖如圖2所示。為了避免故障太多導致無法正常模擬采集數據，每個模擬電路板只選取幾個容易發生故障的元件進行故障模擬，故障元件可以根據理論、仿真和實踐經驗進行選擇。每個故障元件可以模擬多種故障。例如電阻可能出現阻值下降、阻值上升、短路、斷路等不同程度的故障[6]。

圖2　模擬電路圖

使用者能夠自由選擇電路板和故障類型，并使用外接儀器測量模擬電路的關鍵節點[7]數據（節點電壓、信號頻率和波形質量等）。每個電路板預留幾個關鍵節點插口，以供外接示波器和其他儀器觀察故障信息。關鍵節點的選取需要經過理論推導和實驗驗證，保證這些節點的信息能夠直接反映模擬電路的工作狀態[8]。關鍵節點的數量需要不多不少，數量太多會導致數據量龐大，增加后來的故障診斷難度；關鍵節點太少會導致無法為故障診斷提供足夠的信息。模擬電路板由PCB設計完成，然后改裝與實驗箱匹配。

三、結束語

最終模擬電路故障模擬實驗箱的制作完成了設計要求，實驗箱實物外觀精美，內部構造完整，具有較強的實用性和工程性，能夠達到模擬電子技術理論教學與實驗教學的要求，達到了大學生創新性實驗計劃項目的實施效果。創新實驗激發了學生的創新思維和創新意識，提高了學生學習的積極性和動手能力，在項目實踐過程中逐漸學會了思考問題、解決問題的方法，小組成員得到了科學研究與發明創造的基本訓練。

參考文獻

[1]趙麗梅，李尡.EDA技術在模擬電子電路教學改革中的應用[J].高教學刊，2015（13）：82-83.

[2]李響，何東鋼，李昕欣，等.美日兩國高等學校電子工程類專業發展戰略途經比較研究[J].高教學刊，2015（15）：3-4.

[3]楊士元.模擬系統的故障診斷與可靠性設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[4]魯垠濤，姚宏.環境科學類大學生創新實驗存在的不足及建議[J].中國現代教育裝備，2014（11）：85-87.

[5]王永生，屈波，劉拓，等.構建本科生科研訓練與創新實踐的長效機制[J].中國高等教育，2010（6）：21-25.

[6]黃亮，侯建軍，劉穎，等.模擬電路的故障度量化算法[J].控制理論與應用，2013，30（8）：1053-1058.

[7]Huang Liang，Hou Jianjun，Liu Ying，et al. Grey entropy relation algorithm of choosing the optimum diagnostic nodes in analogue circuits [J]. Chinese Journal of Electronics，2013，22 （3）：615-620.

[8]Huang Liang，Song Wei. Fuzzy working state evaluating function and its algorithm for analogue circuits [J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2015，22（1）：83-88.

作者簡介：黃亮（1978-），男，博士學位，副教授，北京交通大學電子信息工程學院國家電工電子實驗教學示范中心教師，主要從事電子科學與技術、電路與系統學科的教學與科研工作。

中圖分類號：TP206

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）01-0175-03

*資助項目：中央高校基本科研業務費專項基金（項目編號：北京交通大學2013JBM016）；高等學校博士點基金新教師類（項目編號：20130 009120042）。