基于模塊化的電子技術實驗箱設計

徐嵩 夏蕾 趙亮 趙天宇 金景怡

摘要：針對常規電子技術實驗箱在教學使用中存在的實驗箱內部空間利用率不高、故障維修煩瑣、實驗電路固定、可拓展性差等問題，研制了一種基于模塊化的電子技術實驗箱。通過對實驗箱的部分組件結構進行改造設計，增加了實驗箱的可拓展性，提高了實驗器材的利用率，簡化了實驗箱維修操作步驟，使實驗箱能夠更好地輔助教學活動。

關鍵詞：實驗箱；電子技術；模塊化；可拓展性

中圖分類號：TN014 文獻標識碼：A

0 引言

高等院校電子信息類專業人才培養目標要求學生能夠熟練使用常用電子儀器儀表，初步具備獨立設計完成電子信息領域工程實驗的能力，為人才強國戰略打下堅實的基礎。軍隊院校通信專業的軍士學員在此基礎上，還需掌握通信設備的硬件結構設計、操作使用、維護保養、故障排除等基本理論、知識和技能。

電子技術實驗箱是學員鞏固所學專業知識、提高實驗儀器設備操作水平、分析和解決問題能力所必不可少的教學輔助工具[1]。當前常用的電子技術實驗箱按實驗內容可分為電路分析實驗箱、模擬電子技術實驗箱、數字電子技術實驗箱等。電子技術實驗箱通常是由一整塊單面敷銅的印刷電路板及實驗箱箱體構成，其印刷電路板正面（非敷銅面）印有清晰的圖形線條、字符及實驗原理圖，元器件與電路在反面通過焊接連接。實驗操作時，在印刷電路板正面將導線插接在對應預留插孔內，即完成實驗項目電路的搭建。此外，在印刷電路板上一般還提供實驗所需的直流穩壓電源、恒流源、直流毫安表等供電電源及測量儀器儀表。利用實驗箱可以對理論教學中的多個知識點進行實驗驗證，通過理論結合實際，加深學員對所學知識的理解，培養、提高學員的動手操作能力。

1 設計模塊化電子技術實驗箱的必要性

在電子類課程的學習過程中，實驗箱作為教學輔助工具，能夠很好地幫助學員理解理論知識，提高實踐操作能力，是實驗教學中不可缺少的工具。但實驗室現有實驗箱只能完成幾個固定的基礎實驗，在保障完成創新性實驗上有明顯短板，難以滿足學員及教員日益增長的實驗需求。實驗箱在使用過程中主要存在以下缺點。

（1）實驗箱內部空間利用率不高。所有實驗電路都印刷在同一塊電路板上，即便只使用實驗箱中很小一部分實驗電路，也需要將整塊電路板置于實驗桌上通電使用。實驗過程中不能有針對性地取出當次實驗所需的部分電路，必要時需在有限的實驗桌空間內放置多個實驗箱才能完成目標實驗電路搭建，空間利用率不高。

（2）實驗箱故障維修煩瑣。當電路板中部分實驗電路損壞時，需要對整塊電路板進行拆除維修，導致實驗箱無法繼續進行教學活動，影響其余部分完好實驗電路的正常使用，且拆卸替換過程較為煩瑣，不夠方便靈活。

（3）實驗箱實驗電路固定、可拓展性差。在進行綜合性實驗時，以現有實驗條件，供學員拓展思維自行設計的實驗電路通常需要同時使用多種實驗箱中的部分電路才能完成搭建。相較于一個實驗箱即可完成多種實驗驗證并能自行設計電路，現有實驗箱的可拓展性較差。

針對以上實驗箱使用時存在的缺點，本文提出了一種基于模塊化的電子技術實驗箱的設計研究方案，以彌補現有實驗箱實驗內容單一、不能多模塊自由搭配組合實驗的不足[2]。該電子技術實驗箱通過模塊化的設計將原本一整塊電路板根據其功能拆分成若干小的電路板，并按實驗內容將當次實驗使用的實驗電路單獨設置在同一塊可拆卸的電路板上，以便使用者按需取用。在結構上，通過設計支撐架及固定蓋板，保證拆分后的電路板也能穩定放置在實驗箱內。當進行實驗時，實驗箱內只需放置當次實驗內容對應的電路板，提高實驗箱空間的利用率。電路板模塊化能夠使實驗箱在有限的固定空間內完成更多的實驗項目，提高實驗教學準備的效率和實驗項目可拓展性[3-4]。在后期的維修中，模塊化電路更便于教學實驗保障人員的操作，維護及報廢成本也遠低于現有實驗箱。此外，在箱體上還預留出擴展塢（端口），可以進行數據采集、交互等信息處理，這為以后拓展實驗箱功能、開展信息化實驗教學預留空間。

2 模塊化電子技術實驗箱的設計方案

模塊化電子技術實驗箱（簡稱“模塊化實驗箱”）主要包括箱體、箱蓋、支撐架、固定蓋板、電源模塊、簡單實驗電路模塊、復雜實驗電路模塊等。模塊化實驗箱立體結構示意圖如圖1 所示。

2.1 箱體、箱蓋

箱體采用頂部開口的中空矩形結構，在側面有鏤空的圓孔用于散熱，能夠及時導出電源模塊產生的熱量。箱體頂部有箱蓋，箱蓋主要具有保護箱體的作用，同時也使實驗箱外形更規則，便于收納。箱蓋后側與箱體通過鉸接的方式進行連接。

2.2 支撐架

支撐架是實驗箱設計中的核心部件，通過改變支撐架的結構能夠將已拆分的小塊實驗箱電路板穩定放在實驗箱內，實現實驗箱電路板的模塊化。

支撐架按其所在位置分為兩種：一種是位于箱體四邊、組合形狀呈矩形框狀的邊沿支撐架；另一種是位于邊沿支撐架中部、組合形狀呈多組矩形陣列分布的中心支撐架。多組中心支撐架構成的矩形陣列將箱體內部空間分隔出多個矩形合圍空間，每個矩形合圍空間均與簡單實驗電路模塊大小等同，能夠支撐簡單實驗電路模塊穩定在實驗箱內。復雜實驗電路模塊通過結構設計占用兩個矩形合圍空間，其也可被穩定支撐。

如圖2 所示，邊沿支撐架的橫截面為正三角形，外側面貼合固定于箱體內側壁上。中心支撐架的橫截面是一角為60° 的菱形，大小為邊沿支撐架橫截面的兩倍。多組中心支撐架水平放置，中心支撐架之間、中心支撐架與邊沿支撐架之間相交的地方通過卡槽連接。

2.3 固定蓋板

固定蓋板的形狀是一個底角為45° 的等腰梯形，相鄰兩個固定蓋板固定后能夠恰好吻合，二者不會距離過遠也不會相互重疊。相鄰固定蓋板外側頂角相接處有撥片卡扣，撥動撥片卡扣可將相鄰兩個固定蓋板穩定卡住，使得固定蓋板能夠將實驗電路模塊固定在支撐架上。如圖3 所示，固定蓋板底邊和箱體頂端邊緣通過蓋板軸鏈相連，以鉸接的方式將固定蓋板連接在箱體上，既保證了固定蓋板的穩定性，使固定蓋板能夠牢固地連接在箱體上，又能使固定蓋板具有一定的靈活度，便于打開和閉合。

2.4 實驗電路模塊

2.4.1 簡單實驗電路模塊

簡單實驗電路模塊主體為長方體結構，其長度、寬度均與中心支撐架分隔出的矩形合圍空間相等。在簡單實驗電路模塊外側有橫截面為直角三角形的支撐條，支撐條能使簡單實驗電路模塊與支撐架有效貼合并穩固置于支撐架上（圖4）。

2.4.2 復雜實驗電路模塊

如圖5 所示，復雜實驗電路模塊主體為長方體結構，在模塊中部有一個支撐缺口。支撐缺口頂部有一個三角形的凹槽，三角形凹槽的兩條邊與中心支撐架的兩條邊大小相等，即通過支撐缺口能夠使復雜實驗電路模塊中部卡在中心支撐架上，兩側分別落入中心支撐架分隔出的矩形合圍空間內。復雜實驗電路模塊邊緣有橫截面是一角為30°、斜邊與支撐架邊長等長的直角三角形的安裝條，通過安裝條和支撐缺口能使復雜實驗電路模塊與支撐架有效貼合并穩固置于支撐架上。

簡單實驗電路模塊和復雜實驗電路模塊頂部為印刷電路板，元件預先焊接在電路板背面，電路板正面預留有導線接線端子，實驗時可利用導線完成電路的搭建與測試[5]。

3 模塊化電子技術實驗箱的組裝使用

首先，使用該模塊化電子技術實驗箱時，需將支撐架置于箱體中，先固定好邊沿支撐架和中心支撐架。邊沿支撐架和中心支撐架相互配合將箱體內空間分隔成多個矩形合圍空間，利用多個矩形合圍空間作為箱體內的若干實驗區域。其次，將電源模塊放置在中間位置，并在箱體底部通過緊固件進行固定，即完成了實驗箱的組裝。

當開展實驗時，選擇所需的實驗電路模塊并放置在實驗區域的矩形合圍空間內，扣好固定蓋板。檢查電源模塊是否固定良好，電源模塊、實驗電路模塊與支撐架接觸是否良好，固定蓋板是否已壓緊實驗電路模塊，在確認這些均已接觸固定良好后，即可開始實驗內容。實驗時的實驗數據可通過儀器儀表直接測量得到，也可通過實驗電路模塊中的數據采集模塊進行采集，這些數據經箱體側壁的拓展端口傳輸至數據處理終端進行實驗數據的統計整理。實驗完畢后，打開固定蓋板，取下實驗電路模塊[6-7]。

在箱體的設計上，側面預留了拓展端口。拓展端口通過卡扣固定在箱體側壁，數據采集模塊與數據處理終端通過插拔方式在拓展端口處連接。當需要使用其他接口類型時，只需解除卡扣取下拓展端口，換上所需接口，重新固定在箱體，即可完成多接口類型的適配。

4 結語

本文通過設計一種基于模塊化的電子技術實驗箱，將原本一整塊電路板根據其功能拆分成若干小的電路板，并設計支撐架及固定蓋板使拆分后的電路板也能穩定放置在實驗箱內。將電路板模塊化后，使實驗箱在有限的空間內能夠完成更多的實驗項目，提高了器材利用率。電路出現損壞時也僅需更換對應的模塊而無須更換整個電路板，減少不必要的浪費，節省維修時間，簡化維修操作步驟。

該實驗箱的設計使用，既能解決現有實驗箱的使用痛點，又能夠進一步提高學員學習電子類課程的學習興趣和效率，增強學員的電路設計能力和動手操作能力。同時，實驗箱的拓展端口為信息化實驗教學、計算機輔助教學提供硬件支撐，促進教學手段信息化，滿足后續教學內容的拓展延伸需求。

參考文獻

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[5] 黃霞，張冰洋．基于DE1-SoC 的模塊化數字系統實驗箱的研制[J]．電子制作，2023，31（1）：86-88，120．

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[7] 陳文明，秦海鴻，卜飛飛．模塊化電力電子實驗裝置研發[J]． 電氣電子教學學報，2023，45（5）：182-187．