基于電路實驗的“黑盒子”考核器設(shè)計

火箭軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部 任 靜 劉 楨 于澤祥 李 娟

為了了解學(xué)生的綜合能力，促進學(xué)生對實驗儀器使用方法的掌握，加深對電路結(jié)構(gòu)及各參數(shù)的理解，提高“識圖”能力和“讀圖”能力，基于電路原理實驗的內(nèi)容，設(shè)計了“黑盒子”考核器，并應(yīng)用于實踐中。實踐表明：“黑盒子”考核器的應(yīng)用能促進學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握和對理論與實驗之間關(guān)系的理解，為后面的電學(xué)類課程學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

“三電”實驗是理工科專業(yè)的必學(xué)科目，其中電路原理所涉及的電路結(jié)構(gòu)相對簡單，更加側(cè)重于對電路的分析，電路原理實驗也更側(cè)重于實驗現(xiàn)象的觀測和分析。為了了解學(xué)生對實驗的掌握情況，包括實驗內(nèi)容的融會貫通和實驗儀器的靈活使用，在電路實驗中，設(shè)計了一款“黑盒子”考核器來對學(xué)生進行考核。

這個考核器主要是綜合考查學(xué)生對于相關(guān)知識點的掌握情況、儀器設(shè)備的使用情況、實驗測量與理論分析的能力。同時，鍛煉學(xué)生的逆向思維能力和綜合實踐能力。

圖1 “黑盒子”考核器內(nèi)部電路圖

圖2 第一階段“黑盒子”考核器

1 考核器的功能

考核器是完全封裝的，從外部僅能看到預(yù)留的測試點，測量人員可以通過測試點（含有無效測試點和等效測試點）來進行相關(guān)的靜態(tài)測量和動態(tài)測量，從獲取的測試數(shù)據(jù)來推導(dǎo)內(nèi)部電路的具體結(jié)構(gòu)和各元器件的參數(shù)大小。此考核器的內(nèi)部電路主要涉及常見實驗電路：（1）疊加原理與齊次定理驗證實驗；（2）RLC串聯(lián)諧振實驗；（3）元件阻抗特性測定實驗（電感、電容，其中測電容阻抗特性的電路又可以看作是測量RC一階電路響應(yīng)測試實驗），具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。每種電路所采用的元器件大小都不一樣，這樣保證每個“黑盒子”都是不一樣的。

2 考核器的設(shè)計過程

考核器設(shè)計經(jīng)歷了幾個階段，使之具備一定的特點，逐步完善其功能，提高它的實用性和適用性。

第一階段：考核器完全封裝，內(nèi)部電路未知，所有“黑盒子”外觀完全一樣，只有信號源（電源）端口可以辨識，如圖2所示。此時，需要先排除無效測試點，然后確定可用信號源端口并區(qū)分正負極。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚，需要從四種結(jié)構(gòu)中一一查找，難度很大，需要較多時間來操作。

第二階段：針對第一階段設(shè)計的不足，對“黑盒子”考核器做了改進，主要有以下幾個方面，即對四種電路做了區(qū)分（6個測試點是電容和電感的阻抗特性測定實驗電路、8個測試點是疊加原理與齊次定理驗證實驗和RLC串聯(lián)諧振實驗），保證內(nèi)部有電阻的阻值可直接測量得到，標示清楚信號源的正負極（紅色正極、黑色負極），如圖3所示。此時，電路的類型可以通過外觀來確認，然后通過靜態(tài)或者動態(tài)測量來判斷內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)，減少了實驗難度，提高了可操作性，確保有限時間內(nèi)可完成考核內(nèi)容。這里需要保證電阻阻值必須是可直接測量的，同時保證電感和電容器件不會影響對考核器中無效測試點和等效測試點的判斷，這對于電感和電阻的選擇有一定的要求。

圖3 第二階段“黑盒子”考核器

圖4 第三階段“黑盒子”考核器

第三階段：保持考核器外觀不變，主要是針對內(nèi)部所采用的電阻、電容和電感器件做了調(diào)整，然后采用了器件可插拔的方式組裝，為后期器件更換調(diào)整做準備，提高了可測量性。舉例如圖4所示。

3 考核器的應(yīng)用范例

以6個測試點的黑盒子（B類）為例，黑盒子內(nèi)置電路可以抽象為圖3.1所示。R是串聯(lián)的電阻，Z是待測元件（電感或電容）。

首先，利用萬用表的通斷測試來判斷6個測試點中有效測試點的位置，排除無效測試點。然后，用萬用表直接測量出串聯(lián)電阻R的大小。在確定的輸入點接入正弦波信號Ui，同時觀測Ui和Ur的相位情況，根據(jù)電壓、電流的超前、滯后的關(guān)系，判斷黑盒子內(nèi)Z的性質(zhì)（電感或電容），也可以逐步增大輸入信號的頻率f，根據(jù)輸出Ur的幅值隨頻率增大或減小的情況，來判斷Z的性質(zhì)。最后，根據(jù)測量出Ui和Ur的具體大小，計算出元件參數(shù)。

如果Z的性質(zhì)已經(jīng)判斷出來為電容，也可以在輸入點接入方波信號，用示波器觀測Uc波形，如果輸出為三角波或方波，調(diào)整方波信號的頻率，如果輸出為一階響應(yīng)曲線，根據(jù)或者找到特殊的時間t=τ，得到時間常數(shù)τ的大小，由τ=RC（R已測量得到）來推算出C的大小。

在這個實驗過程中，涉及到了測量技術(shù)的應(yīng)用、RLC元件的阻抗特性、矢量圖（相量法）、一階電路的響應(yīng)、誤差估計等理論知識，具有綜合性和可研究性。

圖5 B類黑盒子內(nèi)部抽象電路

結(jié)語：“黑盒子”考核器的設(shè)計完全基于電路原理實驗部分，電路結(jié)構(gòu)相對簡單；設(shè)計過程中，根據(jù)實際需求不斷調(diào)整方案，最終用于電路原理實驗考核中。通過隨機抽取考題，限定時間內(nèi)完成任務(wù)等方式，使得老師對學(xué)生的能力有了一個更清楚的了解，也讓學(xué)生對于實驗儀器的使用，電路結(jié)構(gòu)的特點，實驗現(xiàn)象與電路設(shè)計之間的關(guān)系有了更深的理解，為后面電學(xué)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。