適用于大專電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種差分模塊設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種適用于大專電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的差分電路模塊及實(shí)現(xiàn)方法，該模塊具有不易損壞、易操作的特點(diǎn)，能夠?yàn)榇髮?shí)驗(yàn)教學(xué)課堂的流暢性提供幫助。

關(guān)鍵詞：電工實(shí)驗(yàn)；差分模塊；PCB設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN710.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Thisarticleintroducesadifferentialcircuitmoduleanditsimplementationmethodsuitableforcollegeelectricalexperimentteaching.Themodulehasthecharacteristicsofbeingnoteasilydamagedandeasytooperate，andcanprovideassistanceforthesmoothnessofcollegeexperimentalteachingclassrooms.

Keywords： Electricalexperiment;Differentialmodule;PCBdesign

“電工技術(shù)及應(yīng)用”是我校職業(yè)技術(shù)教育大專層次的專業(yè)任職基礎(chǔ)課程，是連接基礎(chǔ)課和裝備課的橋梁和紐帶，起著承上啟下、固本培元的作用。根據(jù)我校“崇德精技、逐夢天網(wǎng)”的辦學(xué)理念，培養(yǎng)適合部隊(duì)崗位的應(yīng)用型人才是我校的基本人才培養(yǎng)要求。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，既要重視理論教學(xué)，更要加強(qiáng)工程意識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。非電子類專業(yè)電工電子實(shí)驗(yàn)主要由電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)兩方面組成[1]，我校全體大一學(xué)員均開設(shè)電工電子實(shí)驗(yàn)。目的是提升學(xué)員的操作能力，切實(shí)提升動(dòng)手技能，同時(shí)加強(qiáng)對理論內(nèi)容的掌握。是電子類的核心實(shí)驗(yàn)課程[2]。大專學(xué)員的理論基礎(chǔ)相對較為薄弱，在目前的實(shí)驗(yàn)課程中經(jīng)常因操作不當(dāng)出現(xiàn)各種問題影響實(shí)驗(yàn)效果，其中，用到差分電路的實(shí)驗(yàn)發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故的概率很高。

差分電路是一種電子電路，可以將兩個(gè)輸入信號(hào)的差值放大并轉(zhuǎn)換為單一的輸出。差分信號(hào)通常表示為兩個(gè)輸入信號(hào)之間的電位差。在《電工技術(shù)及應(yīng)用》中與《模擬電子技術(shù)及應(yīng)用》的實(shí)驗(yàn)課程中有著廣泛的應(yīng)用。

一、應(yīng)用背景

在目前的《電工技術(shù)及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，差分電路起著非常重要的作用。以RLC串聯(lián)實(shí)驗(yàn)電路為例，如圖1所示。想在一個(gè)電路中同時(shí)測量電感、電容兩端電壓。若直接使用萬用表同時(shí)測量元器件兩端，則由于電容、電感、信號(hào)發(fā)生器共地端的不同且三個(gè)元器件相位不同。則會(huì)造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。所以需要使用差分電路提取待測元件兩端電壓，以提高信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

常用的差分電路是以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)，施加正負(fù)兩個(gè)電源，將運(yùn)算放大器的Vin+與Vin-接在被測電路兩端。測量輸出電壓并得到結(jié)果。但是在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，由于大專學(xué)員理論基礎(chǔ)較為薄弱，且此時(shí)處于《電工技術(shù)及應(yīng)用》課程早期，還沒有進(jìn)行《模擬電子技術(shù)及應(yīng)用》課程的學(xué)習(xí)。學(xué)員的認(rèn)知水平欠缺，導(dǎo)致在搭建差分放大電路中經(jīng)常出現(xiàn)問題。常見的問題有，對同相輸入端與反向輸入端的理解不到位，對于直流電源的使用操作不熟練等等。導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)放正負(fù)電源接錯(cuò)、直流穩(wěn)壓電壓設(shè)置有誤等問題，并且運(yùn)算放大器元器件本身比較脆弱容易損壞，導(dǎo)致上課過程中經(jīng)常發(fā)生元器件損壞事故，影響正常課堂進(jìn)程和教學(xué)質(zhì)量。

本文提出設(shè)計(jì)一款操作簡單，面向大專學(xué)員的差分電路模塊可以為學(xué)員搭建實(shí)驗(yàn)電路降低難度，從而將注意力更多的放在本節(jié)課的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容上，提升實(shí)驗(yàn)課堂效率。

二、設(shè)計(jì)思路

為了解決差分電路不夠便捷，電源連接復(fù)雜等問題，本文提出的差分模塊將整個(gè)差分電路簡化整合為一個(gè)電路模塊，盡量減少接口數(shù)量，并將雙電源輸入改為單電源輸入，降低學(xué)員操作難度。該模塊可以分為兩個(gè)部分如圖2所示，分別是電源供電部分和差分放大部分。

電源供電部分的主要功能是將正負(fù)雙電源輸入改為單電壓輸入。電源供電電路包括VRA_YMD_6WR3型號(hào)的電源模塊和濾波組件。在使用電源時(shí)，只需要輸入常用的12V電源，該電源模塊會(huì)自動(dòng)將12V電源轉(zhuǎn)化為正負(fù)12V兩路電源并正確連接在運(yùn)算放大器的Vin+與Vin-接口。濾波組件可以抑制諧波進(jìn)入電路，使直流電輸入更加平滑。電源部分具有輸入欠壓保護(hù)，輸出過壓、過流、短路保護(hù)功能。可以有效的提高電路的穩(wěn)定性和安全性，避免使用兩路直流電源，減少因電源操作不當(dāng)造成的實(shí)驗(yàn)事故。

差分放大部分的主要功能是進(jìn)行元器件兩端電壓信號(hào)的采樣，并進(jìn)行等倍放大。差分放大電路包括uA741型號(hào)的運(yùn)算放大器和電阻組件。uA741在后續(xù)的《模擬電子技術(shù)及應(yīng)用》與《數(shù)字電子技術(shù)及應(yīng)用》課程中也都有使用，提前接觸可以使學(xué)員更快了解這一款最受歡迎的運(yùn)算放大器。使用uA741和電阻元件可以連接構(gòu)成差分放大電路。原理是將uA741構(gòu)成反向放大器和同向放大器的兩種方法結(jié)合起來。電路圖如圖3所示。

當(dāng)只考查Uin-的作用時(shí)，電路就是一個(gè)反相放大器，得到公式如下

當(dāng)只考察Uin+的作用時(shí)，電路就是一個(gè)同相放大器，得到公式如下：

在Uin-和Uin+同時(shí)作用時(shí)，利用疊加定理可以得到公式如下：

從式中可得，當(dāng)電阻值滿足R1=R2=R2=R4時(shí)，則可以得到此時(shí)輸出就等于兩輸入電壓之差。故取電阻為10kΩ，則可以實(shí)現(xiàn)將采樣電壓信號(hào)等倍放大的功能。

本模塊的外接接口全部采用直徑為2mm的金屬香蕉頭，與實(shí)驗(yàn)課程中平時(shí)所使用的導(dǎo)線相匹配。

三、實(shí)現(xiàn)方法

首先使用仿真軟件對電路圖進(jìn)行仿真，測試無誤后可以采用AltiumDesigner繪制PCB電路板[2]，并將所需元件焊接在電路板上。具體操作過程如下：

（一）創(chuàng)建PCB工程

新建一個(gè)PCB項(xiàng)目并命名，并將原理圖、PCB文件、原理圖庫與PCB元件庫都添加進(jìn)該P(yáng)CB項(xiàng)目的目錄下。

根據(jù)本差分模塊設(shè)計(jì)思路，列好所需要的元器件清單，在電子元件商城挑選好元器件并下載對應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊，將各元器件數(shù)據(jù)手冊中的原理圖和封裝圖分別放進(jìn)原理圖庫和PCB元件庫中。

（二）繪制原理圖

從原理圖庫中將電路所需要的元器件按照個(gè)數(shù)復(fù)制進(jìn)工程文件目錄下的原理圖中，這樣就可以確保真正購買使用的元器件尺寸大小與設(shè)計(jì)的PCB板相匹配。復(fù)制完畢后在原理圖中將各元件排布整齊，根據(jù)電路圖使用導(dǎo)線將各元件連接起來，要注意預(yù)留外接管腳。連線完成后核對各元器件的Value值，確保各元件的位號(hào)不同。

（三）PCB設(shè)計(jì)

完成原理圖的繪制后，在原理圖界面下點(diǎn)擊Design/UpdatePCB，自動(dòng)生成PCB文件。PCB設(shè)計(jì)可以分為以下三個(gè)步驟

（1）規(guī)則設(shè)置，首先對布線層面、安全距離以及導(dǎo)線寬度等進(jìn)行規(guī)則設(shè)置。由于本模塊電路結(jié)構(gòu)較為簡單，所以使用40mm×70mm雙層板即可滿足需求。

（2）元件布局，設(shè)置完成后進(jìn)行元件布局，在布局過程應(yīng)注意，為了使本模塊使用方便，外接引腳應(yīng)放置在PCB板四周。電源模塊在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱，應(yīng)放置在與其他元器件較遠(yuǎn)的位置。

（3）布線，采用自動(dòng)布線與手動(dòng)布線相結(jié)合的方式，先利用軟件自動(dòng)布線，再配合手動(dòng)調(diào)整，以達(dá)到良好的布線效果。最后進(jìn)行DRC檢查，確保PCB文件的可靠性。最終得到的PCB文件如圖4所示。

（四）PCB制版

在審核無誤后，進(jìn)行PCB文件的制版，拿到PCB樣板后將采購的元器件焊接在PCB板上，就可以得到差分電路模塊如圖5所示。經(jīng)過實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)該模塊可以在只使用一個(gè)+12V電源的情況下完成對電壓信號(hào)采樣并等倍放大的功能，滿足該模塊的設(shè)計(jì)使用要求，適用于現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)。

結(jié)語

本文介紹了一種適用于大?！峨姽ぜ夹g(shù)及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的差分電路模塊設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，在課程中使用本模塊后取得了良好的效果。與原有方式相比，本方式將以往的雙路電源改為單路電源供電，同時(shí)將差分電路集成在同一模塊上，使電路連接時(shí)不易出錯(cuò)，從而降低實(shí)驗(yàn)難度，突出了學(xué)生的主體地位，提高了課堂效率。同時(shí)本模塊能夠保護(hù)元器件避免損壞。增加了實(shí)驗(yàn)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王駿哲（1996—），男，漢族，河南洛陽人，本科，講師，研究方向：電子電路設(shè)計(jì)。