模拟电路实验故障诊断教学实验箱开发

黄虹继曜，李德兴，韩绍程，吕文婧，聂文昊

（1.中国民航大学 工程技术训练中心，天津，300300；2.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津，300300）

0 引言

随着“十四五”发展规划的提出，国家对电气工程师的培养有了更高的要求。当前国内培养电气工程师，十分注重形成完备的专业课程知识体系，而忽视了对其电气现场操作和实际运用能力的培养[1]。特别是在电子技术实验课上，学生对已知电路的功能验证，虽然能起到巩固理论课知识体系的作用，但是对其解决实际电路问题能力的训练收效甚微。

目前国内外高校针对培养学生电路故障诊断能力进行了大量的研究和改革工作，其中基于智能故障设置的电子技术实验教学方法受到了各高校的高度重视[2]。

北京交通大学黄亮团队完成的模拟电子技术故障模拟实验箱开发的创新实验，制作了一台通过手动控制的故障模拟实验箱，希望通过故障模拟来培养学生的电路诊断能力。此实验箱设计思路正确，但由于手动操作繁琐，可以进行智能化改造[3]。

中国石油大学郝宪锋指导的基于 OBE 理念的“电子技术实验”考试平台研制，其目的是设计一台基于上位机控制，实验箱自动操作的电子技术实验平台。此项目将实验平台智能化改善了教师的教学难度，提高了实验课程内容的丰富度，若将此智能化平台运用于学生电路故障诊断能力训练则可达到事半功倍的效果[4]。

1 研究内容

在实验课教学中，受限于实验硬件资源,实验项目多是对已知实验电路的功能验证，学生独立进行实验的积极性不高。实验内容固定，使得学生缺乏探索动力，不进行独立思考，依赖于老师教学。学生只是将课本上的理论模型通过电路实现，缺乏解决实际电路问题的经验，无法将理论知识投入工程实践，使得学生电路故障诊断等基础技能得不到锻炼，课程效果不明显[5]针对如何有效地培养学生理论联系实践排查实验电路故障的能力，本项目开发了一套能自动改变电路参数或结构且具有一定人机交互功能的模拟电路实验故障诊断教学实验箱。

(1)实验箱整体功能架构。根据顶层设计思路，实验箱包括主控单元、模块化的实验电路板、数据传输单元和人机交互单元，如图1所示。主控单元51单片机存储具体的电路结构和故障类型，利用数据传输单元控制外围电路，在电路板上形成相应实验电路并模拟实验故障，通过人机交互单元提示学生完成故障排查。

图1 教学实验箱整体结构

(2)模拟电路实验故障分析。根据故障教学法，分析模拟电路相关实验项目，通过错误操作产生故障并记录其现象，结合相应的理论分析故障原因，对故障原因进行分类整理，并形成相应的记录文档。

(3)模拟电路实验板设计。通过模块化思想，针对课程中的不同实验，设计对应的实验板，以完成单极共射极放大电路实验、集成运算放大器应用等教学任务[6]。用户能自如的从实验箱上拆卸更换实验板以切换实验内容。完成相应的实验项目的同时，在实验板上确定不同电路的故障点，利用继电器等元件改变电路参数和结构，模拟产生实验故障。利用接线柱等元件实现实验板的手动调节功能，让用户可以直接进行故障排除，以实现电路故障诊断处理能力的训练。

(4)人机交互功能。用户通过操作键盘向实验箱发出指令，实验箱产生相应的电路类型切换和故障生成，并在显示屏上向用户展示当前的实验名称和故障处理引导，如故障可能的原因、对电路的正常工作造成的影响、指出分析该故障用到什么理论和方法。引入人机交互功能的目的是减轻老师教学难度，辅助学生自学。

2 实验箱开发过程

2.1 故障案例收集与分析

本实验箱注重模拟电路实验相关内容的教学，特别是共射级放大电路相关实验与集成运算放大器相关实验。项目组通过访谈研究法，采访授课老师和上课学生收集故障案例；并通过重复实验还原收集到的实验故障，观察其故障现象，分析故障原因，确定了故障诊断步骤和解决方案，并对数据进行了整理归档。

从师生的反馈情况得出结论：接线错误造成的短路断路问题最为常见，比如在共射级放大电路实验中，未在发射级并联旁路电容，如图2所示，将会使电路放大倍数明显减小。对上述故障进行实验重现后，测得数据如表1所示。因为三极管静态工作点正常，而输出信号增益异常小，怀疑发射极旁路电容断路，输出信号减小，再利用万用表检查旁路电容，确定猜想，完成故障诊断。

表1 共射极放大电路故障样例

图2 共射极放大电路故障设计图

在收集经典故障案例时，主要关注与理论课程紧密相连的问题。以共射级放大电路为例，收集的故障现象都可以通过对静态工作点和输出波形的测量得以展现。通过多次重复实验，项目组去除了故障案例中的多余的同类故障，最终形成了实验故障文档。

2.2 实验箱设计

实验箱分为上下两层，上层设有模块化实验板、矩阵键盘、独立键盘、LCD屏，下层设有继电器组、电源模块、单片机平台。实验箱主体由铝合金材料制作，箱体用亚克力板分为上下两层，实验箱盖上附有收纳袋，可用于收纳实验板、电源线和导线。内部提供+12V、-12V、+5V等满足元件功率的直流电。

2.3 实验电路板设计

根据实验故障案例，确定线路通断问题为主要故障类型。为满足实验课教学要求，项目组共完成了两块实验板。

图3 是单级共射极放大电路实验板的PCB设计原理图。本实验板与普通实验电路不同的是加入了12组开关节点，通过节点将线路截断形成开路，再由与节点连接的继电器使线路闭合，从而实现继电器对电路通断的控制。每一组节点由正反两面节点组成，正面节焊接排针等接线端子，供用户手动操作电路结构，进行故障设置和处理；反面节点与杜邦线连接，用于连接继电器组。

图3 单级共射极放大电路实验板原理图

如图4所示，集成运算放大器应用实验板同样在实验电路中加入了16组节点；其中有三组作为由继电器控制的单刀双掷开关，用于信号源的选择，其余节点与单级共射极放大电路实验板接点功能一致。此实验板由四部分组成，左上方是同相输入端，左下方是反向输入端，右上方是集成运算放大器，右下方是反馈回路。用户可以操作单片机控制继电器组通过节点改变实验板各部分电路结构，实现7种不同的集成运算放大器实验，包括电压跟随器、反向比例放大器、同相比例放大器、反向求和放大电路、双端求和放大电路、积分电路、微分电路。

图4 集成运算放大器应用实验电路设计

逆向思维法[7]是集成运算放大器应用实验板设计的核心思路，将多个实验融合入一块实验板，使得用户在使用实验板时，无法依靠对电路结构的记忆进行实验，而必须通过实验现象来判断当前电路对应的实验。在确定了电路功能后，可以设置故障来训练用户的电路故障诊断处理能力。学生在模拟电路理论课上学习的知识，是从正向构建关于集成运算放大器的知识体系，而通过逆向思维法从实验现象出发分析电路，则更加贴近真实工作环境，能在丰富用户电路分析经验的同时，对先前知识体系进行反复强化。

2.4 人机交互功能

实验箱通过51单片机控制外围元件实现人机交互功能，以辅助用户进行实验，其具体工作流程如图5所示。

图5 实验箱人机交互流程图

实验箱开机后，用户通过键盘选择3种工作模式。第一种为实验箱介绍模式，向用户展示实验箱的大概功能和注意事项。第二种为共射极放大电路实验模式，配合单级共射极放大电路实验板工作。在此模式内，用户可通过键盘向单片机发送指令以驱动继电器组生成故障，同时LCD显示屏向用户展示帮助文档。第三种为集成运算放大器应用模式，配合集成运算放大器应用实验板工作。在此模式内，用户可以通过键盘选择实验电路如电压跟随器等，改变实验板的功能，在特定实验电路内，还可以进一步通过键盘输入指令，在实验板上产生故障，同时屏幕也会给予帮助文档。该实验箱的人机交互功能降低了“逆向思维法”进行电路分析的难度，更便于培养学生的电路分析能力。

2.5 实验箱功能测试

在实验箱样品制作完成后，对其进行了测试。测试结果如表2所示。

经过多次测试证明，此实验箱能够完成预期所有实验演示功能，并具有丰富的用户指引文档，可以协助用户诊断故障。

3 结束语

模拟电路实验箱，使学生能在有限的课时内完成实验课程教学任务，对学生的电路故障诊断能力进行训练，注重培养学生以“逆向”思维分析电路的能力，为学生营造实际工作中分析电路的氛围。通过人机交互功能，使实验箱与学生产生有效互动，在学生保持自主积极性的前提下，展开电路故障诊断能力训练，以完成对实验教学的补充。

该实验箱还有一定的优化空间，后续研究中应着重丰富故障类型，使实验箱满足用户重复训练的需求；还可以优化单片机程序，提升运行速度，改善用户体验。