模擬電路實驗故障診斷教學實驗箱開發

黃虹繼曜，李德興，韓紹程，呂文婧，聶文昊

（1.中國民航大學 工程技術訓練中心，天津，300300；2.中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津，300300）

0 引言

隨著“十四五”發展規劃的提出，國家對電氣工程師的培養有了更高的要求。當前國內培養電氣工程師，十分注重形成完備的專業課程知識體系，而忽視了對其電氣現場操作和實際運用能力的培養[1]。特別是在電子技術實驗課上，學生對已知電路的功能驗證，雖然能起到鞏固理論課知識體系的作用，但是對其解決實際電路問題能力的訓練收效甚微。

目前國內外高校針對培養學生電路故障診斷能力進行了大量的研究和改革工作，其中基于智能故障設置的電子技術實驗教學方法受到了各高校的高度重視[2]。

北京交通大學黃亮團隊完成的模擬電子技術故障模擬實驗箱開發的創新實驗，制作了一臺通過手動控制的故障模擬實驗箱，希望通過故障模擬來培養學生的電路診斷能力。此實驗箱設計思路正確，但由于手動操作繁瑣，可以進行智能化改造[3]。

中國石油大學郝憲鋒指導的基于 OBE 理念的“電子技術實驗”考試平臺研制，其目的是設計一臺基于上位機控制，實驗箱自動操作的電子技術實驗平臺。此項目將實驗平臺智能化改善了教師的教學難度，提高了實驗課程內容的豐富度，若將此智能化平臺運用于學生電路故障診斷能力訓練則可達到事半功倍的效果[4]。

1 研究內容

在實驗課教學中，受限于實驗硬件資源,實驗項目多是對已知實驗電路的功能驗證，學生獨立進行實驗的積極性不高。實驗內容固定，使得學生缺乏探索動力，不進行獨立思考，依賴于老師教學。學生只是將課本上的理論模型通過電路實現，缺乏解決實際電路問題的經驗，無法將理論知識投入工程實踐，使得學生電路故障診斷等基礎技能得不到鍛煉，課程效果不明顯[5]針對如何有效地培養學生理論聯系實踐排查實驗電路故障的能力，本項目開發了一套能自動改變電路參數或結構且具有一定人機交互功能的模擬電路實驗故障診斷教學實驗箱。

(1)實驗箱整體功能架構。根據頂層設計思路，實驗箱包括主控單元、模塊化的實驗電路板、數據傳輸單元和人機交互單元，如圖1所示。主控單元51單片機存儲具體的電路結構和故障類型，利用數據傳輸單元控制外圍電路，在電路板上形成相應實驗電路并模擬實驗故障，通過人機交互單元提示學生完成故障排查。

圖1 教學實驗箱整體結構

(2)模擬電路實驗故障分析。根據故障教學法，分析模擬電路相關實驗項目，通過錯誤操作產生故障并記錄其現象，結合相應的理論分析故障原因，對故障原因進行分類整理，并形成相應的記錄文檔。

(3)模擬電路實驗板設計。通過模塊化思想，針對課程中的不同實驗，設計對應的實驗板，以完成單極共射極放大電路實驗、集成運算放大器應用等教學任務[6]。用戶能自如的從實驗箱上拆卸更換實驗板以切換實驗內容。完成相應的實驗項目的同時，在實驗板上確定不同電路的故障點，利用繼電器等元件改變電路參數和結構，模擬產生實驗故障。利用接線柱等元件實現實驗板的手動調節功能，讓用戶可以直接進行故障排除，以實現電路故障診斷處理能力的訓練。

(4)人機交互功能。用戶通過操作鍵盤向實驗箱發出指令，實驗箱產生相應的電路類型切換和故障生成，并在顯示屏上向用戶展示當前的實驗名稱和故障處理引導，如故障可能的原因、對電路的正常工作造成的影響、指出分析該故障用到什么理論和方法。引入人機交互功能的目的是減輕老師教學難度，輔助學生自學。

2 實驗箱開發過程

2.1 故障案例收集與分析

本實驗箱注重模擬電路實驗相關內容的教學，特別是共射級放大電路相關實驗與集成運算放大器相關實驗。項目組通過訪談研究法，采訪授課老師和上課學生收集故障案例；并通過重復實驗還原收集到的實驗故障，觀察其故障現象，分析故障原因，確定了故障診斷步驟和解決方案，并對數據進行了整理歸檔。

從師生的反饋情況得出結論：接線錯誤造成的短路斷路問題最為常見，比如在共射級放大電路實驗中，未在發射級并聯旁路電容，如圖2所示，將會使電路放大倍數明顯減小。對上述故障進行實驗重現后，測得數據如表1所示。因為三極管靜態工作點正常，而輸出信號增益異常小，懷疑發射極旁路電容斷路，輸出信號減小，再利用萬用表檢查旁路電容，確定猜想，完成故障診斷。

表1 共射極放大電路故障樣例

圖2 共射極放大電路故障設計圖

在收集經典故障案例時，主要關注與理論課程緊密相連的問題。以共射級放大電路為例，收集的故障現象都可以通過對靜態工作點和輸出波形的測量得以展現。通過多次重復實驗，項目組去除了故障案例中的多余的同類故障，最終形成了實驗故障文檔。

2.2 實驗箱設計

實驗箱分為上下兩層，上層設有模塊化實驗板、矩陣鍵盤、獨立鍵盤、LCD屏，下層設有繼電器組、電源模塊、單片機平臺。實驗箱主體由鋁合金材料制作，箱體用亞克力板分為上下兩層，實驗箱蓋上附有收納袋，可用于收納實驗板、電源線和導線。內部提供+12V、-12V、+5V等滿足元件功率的直流電。

2.3 實驗電路板設計

根據實驗故障案例，確定線路通斷問題為主要故障類型。為滿足實驗課教學要求，項目組共完成了兩塊實驗板。

圖3 是單級共射極放大電路實驗板的PCB設計原理圖。本實驗板與普通實驗電路不同的是加入了12組開關節點，通過節點將線路截斷形成開路，再由與節點連接的繼電器使線路閉合，從而實現繼電器對電路通斷的控制。每一組節點由正反兩面節點組成，正面節焊接排針等接線端子，供用戶手動操作電路結構，進行故障設置和處理；反面節點與杜邦線連接，用于連接繼電器組。

圖3 單級共射極放大電路實驗板原理圖

如圖4所示，集成運算放大器應用實驗板同樣在實驗電路中加入了16組節點；其中有三組作為由繼電器控制的單刀雙擲開關，用于信號源的選擇，其余節點與單級共射極放大電路實驗板接點功能一致。此實驗板由四部分組成，左上方是同相輸入端，左下方是反向輸入端，右上方是集成運算放大器，右下方是反饋回路。用戶可以操作單片機控制繼電器組通過節點改變實驗板各部分電路結構，實現7種不同的集成運算放大器實驗，包括電壓跟隨器、反向比例放大器、同相比例放大器、反向求和放大電路、雙端求和放大電路、積分電路、微分電路。

圖4 集成運算放大器應用實驗電路設計

逆向思維法[7]是集成運算放大器應用實驗板設計的核心思路，將多個實驗融合入一塊實驗板，使得用戶在使用實驗板時，無法依靠對電路結構的記憶進行實驗，而必須通過實驗現象來判斷當前電路對應的實驗。在確定了電路功能后，可以設置故障來訓練用戶的電路故障診斷處理能力。學生在模擬電路理論課上學習的知識，是從正向構建關于集成運算放大器的知識體系，而通過逆向思維法從實驗現象出發分析電路，則更加貼近真實工作環境，能在豐富用戶電路分析經驗的同時，對先前知識體系進行反復強化。

2.4 人機交互功能

實驗箱通過51單片機控制外圍元件實現人機交互功能，以輔助用戶進行實驗，其具體工作流程如圖5所示。

圖5 實驗箱人機交互流程圖

實驗箱開機后，用戶通過鍵盤選擇3種工作模式。第一種為實驗箱介紹模式，向用戶展示實驗箱的大概功能和注意事項。第二種為共射極放大電路實驗模式，配合單級共射極放大電路實驗板工作。在此模式內，用戶可通過鍵盤向單片機發送指令以驅動繼電器組生成故障，同時LCD顯示屏向用戶展示幫助文檔。第三種為集成運算放大器應用模式，配合集成運算放大器應用實驗板工作。在此模式內，用戶可以通過鍵盤選擇實驗電路如電壓跟隨器等，改變實驗板的功能，在特定實驗電路內，還可以進一步通過鍵盤輸入指令，在實驗板上產生故障，同時屏幕也會給予幫助文檔。該實驗箱的人機交互功能降低了“逆向思維法”進行電路分析的難度，更便于培養學生的電路分析能力。

2.5 實驗箱功能測試

在實驗箱樣品制作完成后，對其進行了測試。測試結果如表2所示。

經過多次測試證明，此實驗箱能夠完成預期所有實驗演示功能，并具有豐富的用戶指引文檔，可以協助用戶診斷故障。

3 結束語

模擬電路實驗箱，使學生能在有限的課時內完成實驗課程教學任務，對學生的電路故障診斷能力進行訓練，注重培養學生以“逆向”思維分析電路的能力，為學生營造實際工作中分析電路的氛圍。通過人機交互功能，使實驗箱與學生產生有效互動，在學生保持自主積極性的前提下，展開電路故障診斷能力訓練，以完成對實驗教學的補充。

該實驗箱還有一定的優化空間，后續研究中應著重豐富故障類型，使實驗箱滿足用戶重復訓練的需求；還可以優化單片機程序，提升運行速度，改善用戶體驗。