基于模塊化設(shè)計(jì)的測(cè)控電路實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用研究

周圍　甘凱　肖艷軍　孟召宗　劉偉玲

摘 要

在現(xiàn)有的測(cè)控電路學(xué)科教學(xué)基礎(chǔ)上，為提高學(xué)生自己設(shè)計(jì)電路的能力，考慮到實(shí)用方便的需求，建立一套模塊化并且導(dǎo)線連接方式為接插式的測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。教學(xué)實(shí)踐表明，該測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建立，在很大程度上促進(jìn)了學(xué)生對(duì)測(cè)控電路相關(guān)知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，為測(cè)控電路學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)提供了新的學(xué)習(xí)方法，既彌補(bǔ)了常用PCB電路板功能過于單一的缺點(diǎn)，也彌補(bǔ)了操作不便的不足。

關(guān)鍵詞

測(cè)控電路;綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái);模塊化;接插

中圖分類號(hào)： G642;TN70-4? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.005

0 前言

近年來，隨著全球人工智能技術(shù)和自動(dòng)化水平的迅速提高，測(cè)控技術(shù)成為一門火熱的學(xué)科，而測(cè)控電路的學(xué)習(xí)對(duì)其有直接的影響。

測(cè)控電路作為測(cè)控技術(shù)學(xué)習(xí)的核心，其水平的高低直接影響一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的檢測(cè)精度和速度。現(xiàn)在高校中對(duì)于測(cè)控電路的教學(xué)，主要是分為書本上的理論學(xué)習(xí)和學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，而絕大多數(shù)學(xué)生都是理論掌握得不錯(cuò)，但是卻沒有自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路的能力，這與實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法的不當(dāng)有直接關(guān)系。

本文針對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)測(cè)控電路能力薄弱的問題，提出一種基于模塊化設(shè)計(jì)的測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，學(xué)生可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)調(diào)試測(cè)電路，并且整個(gè)平臺(tái)采用接插式的元器件連接方式，操作方便快捷，不再采用傳統(tǒng)的焊接方式，。模塊化設(shè)計(jì)的測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用，大大改善了教學(xué)效果，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手操作能力。

1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)背景及意義

目前，國(guó)內(nèi)絕大部分高校對(duì)于測(cè)控電路學(xué)科的教學(xué)，除了課上基礎(chǔ)理論的教學(xué)，為了增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，都已經(jīng)加上了實(shí)踐課。但是，實(shí)踐課的內(nèi)容都是采用較為傳統(tǒng)的方式，即給學(xué)生提供沒有焊接元器件的PCB電路板和相關(guān)原理圖，學(xué)生只要按照原理圖將元器件一一焊接完成即完成實(shí)踐課的教學(xué)內(nèi)容。這種方法存在很明顯的弊端，很大一部分學(xué)生只負(fù)責(zé)焊接元器件，并沒有真正理解電路的本質(zhì)和作用，并且焊接的時(shí)候存在一定的安全隱患。

基于模塊化設(shè)計(jì)的測(cè)控電路實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的搭建和使用，完全顛覆了以往的測(cè)控電路實(shí)踐課的教學(xué)方式，為了提高學(xué)生對(duì)于測(cè)控電路的設(shè)計(jì)能力，不再使用固定功能的電路板供學(xué)生焊接元器件，而是以輸入輸出模塊和集成運(yùn)算模塊兩個(gè)模塊為學(xué)習(xí)核心，學(xué)生可以根據(jù)需要自主選擇兩個(gè)模塊的使用數(shù)量，給學(xué)生最大的自由發(fā)揮空間;并且兩個(gè)模塊都采用鎖緊座的方式，可以自由更換芯片和電容電阻等元器件，大大提高了學(xué)習(xí)效率。這種方式采用，不僅深入貫徹了工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念，而且為學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)大大增加了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2 模塊化設(shè)計(jì)

本測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的搭建，由兩種模塊組成，其分別為輸入輸出模塊和集成運(yùn)算模塊。兩個(gè)模塊功能不同，但是卻能夠相輔相成，可以完成絕大多數(shù)測(cè)控電路的搭建和調(diào)試，并且所有的線路連接都采用插拔式的實(shí)驗(yàn)線進(jìn)行連接，方便快捷。

2.1 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊，顧名思義，即承擔(dān)電路的信號(hào)輸入和信號(hào)輸出的責(zé)任，如圖1所示。每一個(gè)輸入輸出模塊都提供一個(gè)電源的接線端子，雖然只有一個(gè)接線端子，但是模塊內(nèi)部將每個(gè)電源線都分成了四個(gè)串聯(lián)的接線口。因此，每一個(gè)輸入輸出模塊都可以提供十二條電源的接線口，完全可以滿足需求。另外，每一個(gè)模塊還提供了五個(gè)三管腳的接線端子，共十五個(gè)管腳供傳感器等信號(hào)的輸入和電信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)功能的多元化。

2.2 集成運(yùn)算模塊

集成運(yùn)算模塊，其主要承擔(dān)了電信號(hào)的處理和集成運(yùn)算的功能，如圖2所示。每一個(gè)集成運(yùn)算模塊都包含兩個(gè)16P鎖緊座，如圖2中所示，每個(gè)鎖緊座都可以安裝不同的芯片、電阻、電容等元器件，隨時(shí)更換無須反復(fù)使用焊槍進(jìn)行焊接，節(jié)約資源降低了實(shí)驗(yàn)成本，并且更換元器件不會(huì)對(duì)電路板和元器件造成任何損壞，可以重復(fù)可持續(xù)利用。另外模塊還提供了三管腳的接線端，可以供滑動(dòng)變阻器和三極管等三管腳元器件使用，大大豐富了模塊的功能。

圖1 輸入輸出模塊

綜上所述，基于模塊化設(shè)計(jì)的測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和使用，以提高學(xué)生的自主設(shè)計(jì)電路能力為目標(biāo)，以低成本、可循環(huán)使用和操作方便為設(shè)計(jì)原則和理念，大大改善了測(cè)控電路學(xué)科的教學(xué)效果。

圖2 集成運(yùn)算模塊

3 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的基于模塊化設(shè)計(jì)的測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在2018年和2019年本科生教學(xué)中得到了應(yīng)用。學(xué)生可以通過先關(guān)參數(shù)計(jì)算，分析電路，自己動(dòng)手操作設(shè)計(jì)搭建出完整的光電檢測(cè)的測(cè)控電路。

整個(gè)電路大概分為以下幾個(gè)模塊：信號(hào)調(diào)制、I/V變換、高通濾波、信號(hào)解調(diào)和信號(hào)放大，電路系統(tǒng)流程圖如圖3所示，整個(gè)電路由±12V開關(guān)電源供電，首先由NE555和CD4013芯片產(chǎn)生提供一定頻率的方波作為載波信號(hào)對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行調(diào)制，學(xué)生們使用示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，如圖4所示。

圖3 電路系統(tǒng)流程圖

圖4 載波信號(hào)

本實(shí)驗(yàn)選用硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換器件，由于硅光電池為電流輸出，學(xué)生自己設(shè)計(jì)分析I/V變換電路，并且根據(jù)公式1計(jì)算截止頻率，設(shè)計(jì)出高通濾波電路，進(jìn)而排除外界干擾光的影響，實(shí)驗(yàn)效果比較理想。

ωc=1/Rc（1）

學(xué)生可以自己分析測(cè)控電路課上講解的多種解調(diào)方式，自主選擇其中一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并且深入分析計(jì)算各個(gè)電阻電容值，將待測(cè)直流電壓信號(hào)從調(diào)制信號(hào)中解調(diào)出來，并非機(jī)械化按照原理圖進(jìn)行元器件的連接，極大程度地鍛煉了學(xué)生的電路分析設(shè)計(jì)能力。

最后信號(hào)放大模塊更是給學(xué)生絕對(duì)的發(fā)揮空間，部分學(xué)生選擇如圖5所示的同向放大電路，并根據(jù)公式2計(jì)算放大倍數(shù)，另外部分同學(xué)選擇如圖6所示的反向放大電路，并根據(jù)公式3計(jì)算放大倍數(shù)，其中不僅僅要考慮到電阻值的選擇，還要考慮到是否超過供電電壓，這不但鍛煉了學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，也培養(yǎng)了學(xué)生全面思考問題的習(xí)慣。

圖5 同向放大電路

k=1+（2）

圖6 反向放大電路

K=-（3）

4 總結(jié)

基于多年的測(cè)控電路學(xué)科教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為改善教學(xué)效果，設(shè)計(jì)一個(gè)基于模塊化的測(cè)控電路綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。近兩年來，在測(cè)控電路課程中展開應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，涌現(xiàn)出多名優(yōu)秀學(xué)生，得到了絕大多數(shù)學(xué)生的肯定與支持，課堂氣氛熱烈，能夠啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行深度思考。新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以學(xué)生為中心，鍛煉學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，也為畢業(yè)以后的就業(yè)增添籌碼，提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力。