黃虹繼曜，李德興，韓紹程，呂文婧，聶文昊

（1.中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津，300300；2.中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津，300300）

0 引言

隨著“十四五”發(fā)展規(guī)劃的提出，國家對電氣工程師的培養(yǎng)有了更高的要求。當(dāng)前國內(nèi)培養(yǎng)電氣工程師，十分注重形成完備的專業(yè)課程知識體系，而忽視了對其電氣現(xiàn)場操作和實際運用能力的培養(yǎng)[1]。特別是在電子技術(shù)實驗課上，學(xué)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(xùn)練收效甚微。

目前國內(nèi)外高校針對培養(yǎng)學(xué)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(shè)置的電子技術(shù)實驗教學(xué)方法受到了各高校的高度重視[2]。

北京交通大學(xué)黃亮團隊完成的模擬電子技術(shù)故障模擬實驗箱開發(fā)的創(chuàng)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(yǎng)學(xué)生的電路診斷能力。此實驗箱設(shè)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(xué)郝憲鋒指導(dǎo)的基于 OBE 理念的“電子技術(shù)實驗”考試平臺研制，其目的是設(shè)計一臺基于上位機控制，實驗箱自動操作的電子技術(shù)實驗平臺。此項目將實驗平臺智能化改善了教師的教學(xué)難度，提高了實驗課程內(nèi)容的豐富度，若將此智能化平臺運用于學(xué)生電路故障診斷能力訓(xùn)練則可達到事半功倍的效果[4]。

1 研究內(nèi)容

在實驗課教學(xué)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(xué)生獨立進行實驗的積極性不高。實驗內(nèi)容固定，使得學(xué)生缺乏探索動力，不進行獨立思考，依賴于老師教學(xué)。學(xué)生只是將課本上的理論模型通過電路實現(xiàn)，缺乏解決實際電路問題的經(jīng)驗，無法將理論知識投入工程實踐，使得學(xué)生電路故障診斷等基礎(chǔ)技能得不到鍛煉，課程效果不明顯[5]針對如何有效地培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐排查實驗電路故障的能力，本項目開發(fā)了一套能自動改變電路參數(shù)或結(jié)構(gòu)且具有一定人機交互功能的模擬電路實驗故障診斷教學(xué)實驗箱。

(1)實驗箱整體功能架構(gòu)。根據(jù)頂層設(shè)計思路，實驗箱包括主控單元、模塊化的實驗電路板、數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)和故障類型，利用數(shù)據(jù)傳輸單元控制外圍電路，在電路板上形成相應(yīng)實驗電路并模擬實驗故障，通過人機交互單元提示學(xué)生完成故障排查。

圖1 教學(xué)實驗箱整體結(jié)構(gòu)

(2)模擬電路實驗故障分析。根據(jù)故障教學(xué)法，分析模擬電路相關(guān)實驗項目，通過錯誤操作產(chǎn)生故障并記錄其現(xiàn)象，結(jié)合相應(yīng)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(yīng)的記錄文檔。

(3)模擬電路實驗板設(shè)計。通過模塊化思想，針對課程中的不同實驗，設(shè)計對應(yīng)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(yīng)用等教學(xué)任務(wù)[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(nèi)容。完成相應(yīng)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(shù)和結(jié)構(gòu)，模擬產(chǎn)生實驗故障。利用接線柱等元件實現(xiàn)實驗板的手動調(diào)節(jié)功能，讓用戶可以直接進行故障排除，以實現(xiàn)電路故障診斷處理能力的訓(xùn)練。

(4)人機交互功能。用戶通過操作鍵盤向?qū)嶒炏浒l(fā)出指令，實驗箱產(chǎn)生相應(yīng)的電路類型切換和故障生成，并在顯示屏上向用戶展示當(dāng)前的實驗名稱和故障處理引導(dǎo)，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(xué)難度，輔助學(xué)生自學(xué)。

2 實驗箱開發(fā)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(guān)內(nèi)容的教學(xué)，特別是共射級放大電路相關(guān)實驗與集成運算放大器相關(guān)實驗。項目組通過訪談研究法，采訪授課老師和上課學(xué)生收集故障案例；并通過重復(fù)實驗還原收集到的實驗故障，觀察其故障現(xiàn)象，分析故障原因，確定了故障診斷步驟和解決方案，并對數(shù)據(jù)進行了整理歸檔。

從師生的反饋情況得出結(jié)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(fā)射級并聯(lián)旁路電容，如圖2所示，將會使電路放大倍數(shù)明顯減小。對上述故障進行實驗重現(xiàn)后，測得數(shù)據(jù)如表1所示。因為三極管靜態(tài)工作點正常，而輸出信號增益異常小，懷疑發(fā)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(shè)計圖

在收集經(jīng)典故障案例時，主要關(guān)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(xiàn)象都可以通過對靜態(tài)工作點和輸出波形的測量得以展現(xiàn)。通過多次重復(fù)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(shè)計

實驗箱分為上下兩層，上層設(shè)有模塊化實驗板、矩陣鍵盤、獨立鍵盤、LCD屏，下層設(shè)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(dǎo)線。內(nèi)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(shè)計

根據(jù)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(xué)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(shè)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(guān)節(jié)點，通過節(jié)點將線路截斷形成開路，再由與節(jié)點連接的繼電器使線路閉合，從而實現(xiàn)繼電器對電路通斷的控制。每一組節(jié)點由正反兩面節(jié)點組成，正面節(jié)焊接排針等接線端子，供用戶手動操作電路結(jié)構(gòu)，進行故障設(shè)置和處理；反面節(jié)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(yīng)用實驗板同樣在實驗電路中加入了16組節(jié)點；其中有三組作為由繼電器控制的單刀雙擲開關(guān)，用于信號源的選擇，其余節(jié)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(jié)點改變實驗板各部分電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(yīng)用實驗電路設(shè)計

逆向思維法[7]是集成運算放大器應(yīng)用實驗板設(shè)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(jié)構(gòu)的記憶進行實驗，而必須通過實驗現(xiàn)象來判斷當(dāng)前電路對應(yīng)的實驗。在確定了電路功能后，可以設(shè)置故障來訓(xùn)練用戶的電路故障診斷處理能力。學(xué)生在模擬電路理論課上學(xué)習(xí)的知識，是從正向構(gòu)建關(guān)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(xiàn)象出發(fā)分析電路，則更加貼近真實工作環(huán)境，能在豐富用戶電路分析經(jīng)驗的同時，對先前知識體系進行反復(fù)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(xiàn)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?zāi)Ｊ?，配合單級共射極放大電路實驗板工作。在此模式內(nèi)，用戶可通過鍵盤向單片機發(fā)送指令以驅(qū)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(yīng)用模式，配合集成運算放大器應(yīng)用實驗板工作。在此模式內(nèi)，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(nèi)，還可以進一步通過鍵盤輸入指令，在實驗板上產(chǎn)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(yǎng)學(xué)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(jié)果如表2所示。

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

3 結(jié)束語

模擬電路實驗箱，使學(xué)生能在有限的課時內(nèi)完成實驗課程教學(xué)任務(wù)，對學(xué)生的電路故障診斷能力進行訓(xùn)練，注重培養(yǎng)學(xué)生以“逆向”思維分析電路的能力，為學(xué)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(xué)生產(chǎn)生有效互動，在學(xué)生保持自主積極性的前提下，展開電路故障診斷能力訓(xùn)練，以完成對實驗教學(xué)的補充。

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