模拟电子技术故障模拟实验箱开发的创新实验*

黄亮　侯建军　马庆龙　陈新　李赵红（北京交通大学电子信息工程学院国家电工电子实验教学示范中心，北京100044）



模拟电子技术故障模拟实验箱开发的创新实验*

黄亮侯建军马庆龙陈新李赵红
（北京交通大学电子信息工程学院国家电工电子实验教学示范中心，北京100044）

摘要：模拟电路的可靠性对电子系统的稳定性和安全性起着至关重要的作用。本文借助大学生创新实验计划平台，开发了一款模拟电子技术故障模拟实验箱。模拟电路故障模拟实验箱具备电路板方便插播、自动接入电源和信号、可以自由选择故障类型等特点，达到了模拟电子技术教学和科学研究的使用要求。

关键词：模拟电子技术；故障模拟；实验箱；创新实验

Abstract:The reliability of analog circuits is vital to the stability and the security of electronic systems. Using the platform of the undergraduate innovative experimental project, a fault simulation experiment box of analog circuits is developed in this paper. The fault simulation experiment box has the following features: circuit boards are easy to plug and unplug; circuit boards can get power and input signals automatically; fault types can be selected optionally. The experiment box can satisfy the demands of analog electronics teaching and researching.

Keywords:analog electronics; fault simulation; experiment box; innovative experiment

电子电路是计算机、通信与自动化等系统的硬件基础，与工业生产和日常生活息息相关[1]。随着现代电子工程的发展[2]，电路系统的复杂程度越来越高，系统规模越来越大，对电路系统的故障模拟技术与可靠性提出了更高要求。一旦电子电路发生故障，系统将无法正常工作。除了电路分析与电路设计，电路故障模拟与诊断技术也是电子技术领域重要的教学与研究重点。电路故障模拟与诊断技术不但能够进行故障定位和故障排除，还能指导电路系统的设计与生产，帮助改进电路系统生产工艺与设计，从而全面保证电路系统的质量和性能。

电子电路系统往往是由模拟电路与数字电路共同组成的综合系统。有资料表明[3]，虽然模拟电路在所有电路系统中仅占15%左右，但是由模拟电路故障导致的电路系统故障高达80%，模拟电路故障率高发降低了电路系统的整体可靠性。例如电阻是电路系统的最常用元件，但是电阻在电路工作时会发热，容易出现阻值变化或烧毁等故障。电容由于老化或电解质泄漏而导致电容值下降或鼓包等故障。由于模拟电路在电路系统中具有不可替代性，模拟放大电路与模拟电源是所有电路系统必不可少的组成单元，模拟电路的安全性与稳定性对电子电路系统可靠性起着至关重要的作用，对模拟电子技术故障模拟技术进行深入研究很有必要。

一、模拟电路故障模拟实验箱的要求

北京交通大学自2007年开始[4]，遵循“兴趣驱动、自主实验、重在过程”的原则，培养大学生的创新意识、实践能力和团队精神，调动大学生学习的创造性和主动性，进行以解决问题为核心、以科研课题为依托的大学生创新性实验计划[5]。“模拟电子技术故障模拟实验箱的开发”作为一个北京交通大学大学生创新性实验计划题目，依托指导教师的科学研究课题，开展了模拟电路故障模拟与诊断技术的研究。本实验课题需要学生掌握电路设计、PCB、系统焊接与调试、机械制作等多领域知识。实验题目需要利用的资源包括计算机、PCB设计软件、示波器、信号源、焊接工作台、直流电源、钻孔机、模拟电路实验箱等。

“模拟电子技术故障模拟实验箱的开发”题目要求如下：制作一个教学和科研均可使用的模拟电路故障模拟实验箱，实验箱附带方便插拔的常见模拟电路板（例如共射放大电路、电阻网络、文世桥振荡器或二阶滤波器等）。自制实验箱直流稳压电源（＋12V、-12V、＋5V）和波形发生器。模拟电路板插入实验箱后，借助实验箱的固定插槽和电路板的固定脚，自动实现电路板的供电连接与信号输入（若电路板需要特殊信号，可以在电路板预留插口以方便外接信号源）。每个模拟电路板选取最容易发生故障的元件进行故障模拟，使用者能够自由选择电路板和故障类型（可以通过拨码开关控制故障元件）。每个电路板预留几个关键节点插口，以供外接示波器或其他测量仪器观察故障信息。要求实验箱实物外观精致，具有较强的实用性，能够达到教学、科研和展览等要求。该实验计划题目的创新特色在于：可以自由切换模拟电路板；自动实现电路板的供电连接和信号输入；可以自由选择故障元件和故障类型。

二、模拟电路故障模拟实验箱的制作

模拟电路故障模拟实验箱的外壳选用中小型实验箱，然后自己进行改装，需要钻孔、安装其他部件、喷涂文字标识等。实验箱附带几块方便插拔的常见模拟电路板，实验板可以是模拟电路教学或研究中经常使用的常见模拟电路。实验箱直流电源使用220V交流电，内部直流电源将220V交流电变为＋12V、-12V和＋5V等直流电。直流电源的功率和稳定性达到模拟电路板的使用要求。如果某模拟电路板需要使用正弦波或方波等波形作为输入信号，实验箱可以根据需求制作波形发生器。

模拟电路故障模拟实验箱在四个角预留可以插入模拟电路板的插槽，需要精心设计实验箱的固定插孔和电路板的固定脚，从而实现模拟电路板的灵活插拔。实验箱部分固定孔已经与直流电源连接，当模拟电路板插入实验箱后，通过实验箱的固定插槽和电路板的固定脚，自动实现电路板的供电连接或信号输入。如果模拟电路比较特殊，也可以根据需要在模拟电路板上设计电源开关，通过开关控制是否供电或输入信号。模拟电路故障模拟实验箱实物如图1所示。

图1　模拟电路故障模拟实验箱

部分电路板电路图如图2所示。为了避免故障太多导致无法正常模拟采集数据，每个模拟电路板只选取几个容易发生故障的元件进行故障模拟，故障元件可以根据理论、仿真和实践经验进行选择。每个故障元件可以模拟多种故障。例如电阻可能出现阻值下降、阻值上升、短路、断路等不同程度的故障[6]。

图2　模拟电路图

使用者能够自由选择电路板和故障类型，并使用外接仪器测量模拟电路的关键节点[7]数据（节点电压、信号频率和波形质量等）。每个电路板预留几个关键节点插口，以供外接示波器和其他仪器观察故障信息。关键节点的选取需要经过理论推导和实验验证，保证这些节点的信息能够直接反映模拟电路的工作状态[8]。关键节点的数量需要不多不少，数量太多会导致数据量庞大，增加后来的故障诊断难度；关键节点太少会导致无法为故障诊断提供足够的信息。模拟电路板由PCB设计完成，然后改装与实验箱匹配。

三、结束语

最终模拟电路故障模拟实验箱的制作完成了设计要求，实验箱实物外观精美，内部构造完整，具有较强的实用性和工程性，能够达到模拟电子技术理论教学与实验教学的要求，达到了大学生创新性实验计划项目的实施效果。创新实验激发了学生的创新思维和创新意识，提高了学生学习的积极性和动手能力，在项目实践过程中逐渐学会了思考问题、解决问题的方法，小组成员得到了科学研究与发明创造的基本训练。

参考文献

[1]赵丽梅，李尡.EDA技术在模拟电子电路教学改革中的应用[J].高教学刊，2015（13）：82-83.

[2]李响，何东钢，李昕欣，等.美日两国高等学校电子工程类专业发展战略途经比较研究[J].高教学刊，2015（15）：3-4.

[3]杨士元.模拟系统的故障诊断与可靠性设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[4]鲁垠涛，姚宏.环境科学类大学生创新实验存在的不足及建议[J].中国现代教育装备，2014（11）：85-87.

[5]王永生，屈波，刘拓，等.构建本科生科研训练与创新实践的长效机制[J].中国高等教育，2010（6）：21-25.

[6]黄亮，侯建军，刘颖，等.模拟电路的故障度量化算法[J].控制理论与应用，2013，30（8）：1053-1058.

[7]Huang Liang，Hou Jianjun，Liu Ying，et al. Grey entropy relation algorithm of choosing the optimum diagnostic nodes in analogue circuits [J]. Chinese Journal of Electronics，2013，22 （3）：615-620.

[8]Huang Liang，Song Wei. Fuzzy working state evaluating function and its algorithm for analogue circuits [J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2015，22（1）：83-88.

作者简介：黄亮（1978-），男，博士学位，副教授，北京交通大学电子信息工程学院国家电工电子实验教学示范中心教师，主要从事电子科学与技术、电路与系统学科的教学与科研工作。

中图分类号：TP206

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）01-0175-03

*资助项目：中央高校基本科研业务费专项基金（项目编号：北京交通大学2013JBM016）；高等学校博士点基金新教师类（项目编号：20130 009120042）。