电气测试技术课程峰值电压测量实验的设计

史敬灼

河南科技大学 河南洛阳 471023

在工科高校教学过程中，课程实验是实践教学环节之一[1]。课程实验与课程的课堂教学具有同等重要的地位，两者相辅相成，共同实现使学生掌握知识并具备实际应用知识能力的教学目的[2,3]。目前，国家提倡加强工科大学生的工程实践能力培养[1,3]。在这样的背景下，如何使课程实验更好地服务于学生工程实践能力培养、更好地提高学生实际应用知识的能力，是需要我们深入思考的一个课题。

电气测试技术是本科电气工程及其自动化专业的一门专业课。本文介绍该课程峰值电压测量实验的设计，说明了改革课程实验内容及过程以促进学生工程实践能力培养的具体做法。

1 实验电路设计

以前，电气测试技术课程实验是在外购的测控技术实验台上进行的，其弊端主要有二：一是实验项目与实际授课内容之间存在不一致性；二是测量装置、处理电路都封装在机壳内，实验动手过程多表现为接线过程。这些弊端使得通过课程实验加深学生对所学知识理解、锻炼动手应用知识能力的目的难以达成。

针对这些问题，峰值电压测量实验尝试采用自制的峰值电压测量电路为实验装置，实验电路与课程教材内容完全对应一致。实验从学生在电路板上手工焊电子元件开始，然后用自己焊的电路板完成测量实验。实验进程，采用学生利用课余时间在开放实验室进行实验的方式，设定完成期限，不设定具体时间。为学生提供充分的研学空间，充分锻炼学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。

1.1 正弦电压信号发生电路单元

为实现峰值电压测量，实验所用的峰值电压测量电路，首先应产生被测量的正弦电压信号。图1所示电路中的集成电路芯片U1-ICL8038，U2-OPA551用来实现这一功能。图1中元件T1为“测试点”，是为了便于连接示波器探头进行信号测试而额外加入的。元件DJ1为2P单排针，可插上跳，连接两个端点。DJ1用来改变U1输出正弦信号的频率。根据ICL8038芯片输出信号频率计算公式及图1所示电路参数，计算可知，DJ1插上跳帽，U1输出正弦电压信号的频率约为50 Hz；不插跳帽，频率约为5 kHz。设计DJ1用以实现切换信号频率的目的，是为了在实验过程中，考查被测信号频率高、低与电路参数值设计之间的关系。

图1 正弦电压信号发生电路原理图

图1所示集成电路芯片U2-OPA551是一种大电流输出的运算放大器，其输出端可持续输出200 mA电流，以满足后续峰值检测电路的功率需求。同时，U2对U1输出的正弦电压信号进行电压放大；调节电位器R8可使正弦电压幅值在5.2～10.5 V之间可调，用以观察被测信号峰值变化情况下的测量性能。

1.2 无源峰值电压测量电路单元

图1所示电路输出的正弦信号，是峰值测量电路单元的输入信号。图2为实验电路中的无源峰值电压测量电路单元是由R10，D1，C9等元件构成的电路单元，利用对电容器C9的半波整流充电实现无源峰值电压测量。

图2 无源峰值电压测量电路原理图

1.3 有源峰值电压测量电路单元

图3 为实验电路中的有源峰值电压测量电路单元。电路中的U4-LM258为通用运算放大器，U3-LM311P为电压比较器，其输出端有别于一般的电压比较器，为OC&OE(集电极、发射极均为开路)结构。这种特殊的输出端结构，使得LM311P更适用于峰值电压测量。

图3 有源峰值电压测量电路原理图

这里需注意的是，当电压比较器LM311P的“+”输入端电压IN“+”大于其“–”输入端电压IN–时，LM311P的输出端晶体管处于截止状态，电容C10通过电阻R12，R13向负电源VCC-放电；反之，当IN+小于IN–时，其输出端晶体管处于饱和导通状态，电容C10被正电源VCC快速充电，从而实现峰值电压检测。

2 实验内容设计

2.1 焊电路板

提供电路原理图和电路板元件布局图，要求学生严格按照原理图中给出的各个元件类型、型号、数值参照元件布局图在电路板上对应位置完成元件手工焊接。并提醒学生注意，元件焊接的顺序应该是按照元件高/矮、大/小，先焊矮的、小的元件，再焊高的、大的元件。有极性元件的极性一定不要反接。

完成元件焊接后，经指导教师检查合格，可以通电调试，按照信号流程从前到后的顺序，对照实验指导书给出的波形图，依次确认电路功能正常。

2.2 峰值电压信号测试与分析

电路板调试完成后，按照下列步骤进行信号测试与分析。

(1) DJ1不插跳帽。

(2) 测量测试点T1波形(被测正弦电压信号)，调节电位器R8，观察正弦电压幅值的变化，并记录频率、幅值。之后，调节电位器R8使正弦电压幅值为可调范围的中间值。

(3) 同时测量测试点T1，T2波形，对比无源峰值电压测量电路的输入、输出信号波形，讨论、评估峰值电压测量效果，分析测量误差。

(4) 同时测量测试点T1，T3波形，对比有源正峰值电压测量电路的输入、输出信号波形，讨论、评估峰值电压测量效果，分析测量误差；调节电位器R13，改变电容放电回路电阻，观察测量效果的变化，并分析变化原因。

(5) DJ1插跳帽。重复步骤(2)～(4)。

(6) 元件C9：在103之上，焊上105。分别在DJ1插跳帽、不插跳帽情况下，重复步骤(3)。

在上述实验过程中，对测量效果的评估包括测量精度、完成测量所需时间等指标。要求学生在评估测量效果、分析测量误差时，注意以下因素：被测信号的频率高低，被测信号的峰值是否时变、快变还是慢变，测量数据读取方式。

2.3 实验前讲解与实验中的指导

实验前，指导教师应讲解实验用电路的工作原理。另外，为便于学生完成后续实验，作为对课堂讲授知识的补充，还可讲解如下几点内容：电压比较器输出电压波形的高电平电压值、低电平电压值，电压比较器的推挽式、集电极开路(OC)输出端结构，OC输出端的实际用途等。

在实验过程中，指导教师可根据学生实验进展情况不断提出新的问题，引领学生不断研究、探讨，锻炼学生应用所学知识分析问题、解决问题的能力。

3 结语

课程实验是高校实践教学体系中的重要一环。本文所述峰值电压测量实验，在加强学生创新实践能力培养方面进行了尝试。采用自制电路板作为实验装置，使实验内容与课堂讲授知识紧密结合，将课程实验与理论授课更好地融为一体；实验装置对学生全开放，学生在掌握电路工作原理的基础上，自己焊电路板，调试电路并进行信号测量与分析，辅以指导教师的适时引导，切实提高了学生的实践动手能力和知识运用能力。