基于模块化的电子技术实验箱设计

徐嵩 夏蕾 赵亮 赵天宇 金景怡

摘要：针对常规电子技术实验箱在教学使用中存在的实验箱内部空间利用率不高、故障维修烦琐、实验电路固定、可拓展性差等问题，研制了一种基于模块化的电子技术实验箱。通过对实验箱的部分组件结构进行改造设计，增加了实验箱的可拓展性，提高了实验器材的利用率，简化了实验箱维修操作步骤，使实验箱能够更好地辅助教学活动。

关键词：实验箱；电子技术；模块化；可拓展性

中图分类号：TN014 文献标识码：A

0 引言

高等院校电子信息类专业人才培养目标要求学生能够熟练使用常用电子仪器仪表，初步具备独立设计完成电子信息领域工程实验的能力，为人才强国战略打下坚实的基础。军队院校通信专业的军士学员在此基础上，还需掌握通信设备的硬件结构设计、操作使用、维护保养、故障排除等基本理论、知识和技能。

电子技术实验箱是学员巩固所学专业知识、提高实验仪器设备操作水平、分析和解决问题能力所必不可少的教学辅助工具[1]。当前常用的电子技术实验箱按实验内容可分为电路分析实验箱、模拟电子技术实验箱、数字电子技术实验箱等。电子技术实验箱通常是由一整块单面敷铜的印刷电路板及实验箱箱体构成，其印刷电路板正面（非敷铜面）印有清晰的图形线条、字符及实验原理图，元器件与电路在反面通过焊接连接。实验操作时，在印刷电路板正面将导线插接在对应预留插孔内，即完成实验项目电路的搭建。此外，在印刷电路板上一般还提供实验所需的直流稳压电源、恒流源、直流毫安表等供电电源及测量仪器仪表。利用实验箱可以对理论教学中的多个知识点进行实验验证，通过理论结合实际，加深学员对所学知识的理解，培养、提高学员的动手操作能力。

1 设计模块化电子技术实验箱的必要性

在电子类课程的学习过程中，实验箱作为教学辅助工具，能够很好地帮助学员理解理论知识，提高实践操作能力，是实验教学中不可缺少的工具。但实验室现有实验箱只能完成几个固定的基础实验，在保障完成创新性实验上有明显短板，难以满足学员及教员日益增长的实验需求。实验箱在使用过程中主要存在以下缺点。

（1）实验箱内部空间利用率不高。所有实验电路都印刷在同一块电路板上，即便只使用实验箱中很小一部分实验电路，也需要将整块电路板置于实验桌上通电使用。实验过程中不能有针对性地取出当次实验所需的部分电路，必要时需在有限的实验桌空间内放置多个实验箱才能完成目标实验电路搭建，空间利用率不高。

（2）实验箱故障维修烦琐。当电路板中部分实验电路损坏时，需要对整块电路板进行拆除维修，导致实验箱无法继续进行教学活动，影响其余部分完好实验电路的正常使用，且拆卸替换过程较为烦琐，不够方便灵活。

（3）实验箱实验电路固定、可拓展性差。在进行综合性实验时，以现有实验条件，供学员拓展思维自行设计的实验电路通常需要同时使用多种实验箱中的部分电路才能完成搭建。相较于一个实验箱即可完成多种实验验证并能自行设计电路，现有实验箱的可拓展性较差。

针对以上实验箱使用时存在的缺点，本文提出了一种基于模块化的电子技术实验箱的设计研究方案，以弥补现有实验箱实验内容单一、不能多模块自由搭配组合实验的不足[2]。该电子技术实验箱通过模块化的设计将原本一整块电路板根据其功能拆分成若干小的电路板，并按实验内容将当次实验使用的实验电路单独设置在同一块可拆卸的电路板上，以便使用者按需取用。在结构上，通过设计支撑架及固定盖板，保证拆分后的电路板也能稳定放置在实验箱内。当进行实验时，实验箱内只需放置当次实验内容对应的电路板，提高实验箱空间的利用率。电路板模块化能够使实验箱在有限的固定空间内完成更多的实验项目，提高实验教学准备的效率和实验项目可拓展性[3-4]。在后期的维修中，模块化电路更便于教学实验保障人员的操作，维护及报废成本也远低于现有实验箱。此外，在箱体上还预留出扩展坞（端口），可以进行数据采集、交互等信息处理，这为以后拓展实验箱功能、开展信息化实验教学预留空间。

2 模块化电子技术实验箱的设计方案

模块化电子技术实验箱（简称“模块化实验箱”）主要包括箱体、箱盖、支撑架、固定盖板、电源模块、简单实验电路模块、复杂实验电路模块等。模块化实验箱立体结构示意图如图1 所示。

2.1 箱体、箱盖

箱体采用顶部开口的中空矩形结构，在侧面有镂空的圆孔用于散热，能够及时导出电源模块产生的热量。箱体顶部有箱盖，箱盖主要具有保护箱体的作用，同时也使实验箱外形更规则，便于收纳。箱盖后侧与箱体通过铰接的方式进行连接。

2.2 支撑架

支撑架是实验箱设计中的核心部件，通过改变支撑架的结构能够将已拆分的小块实验箱电路板稳定放在实验箱内，实现实验箱电路板的模块化。

支撑架按其所在位置分为两种：一种是位于箱体四边、组合形状呈矩形框状的边沿支撑架；另一种是位于边沿支撑架中部、组合形状呈多组矩形阵列分布的中心支撑架。多组中心支撑架构成的矩形阵列将箱体内部空间分隔出多个矩形合围空间，每个矩形合围空间均与简单实验电路模块大小等同，能够支撑简单实验电路模块稳定在实验箱内。复杂实验电路模块通过结构设计占用两个矩形合围空间，其也可被稳定支撑。

如图2 所示，边沿支撑架的横截面为正三角形，外侧面贴合固定于箱体内侧壁上。中心支撑架的横截面是一角为60° 的菱形，大小为边沿支撑架横截面的两倍。多组中心支撑架水平放置，中心支撑架之间、中心支撑架与边沿支撑架之間相交的地方通过卡槽连接。

2.3 固定盖板

固定盖板的形状是一个底角为45° 的等腰梯形，相邻两个固定盖板固定后能够恰好吻合，二者不会距离过远也不会相互重叠。相邻固定盖板外侧顶角相接处有拨片卡扣，拨动拨片卡扣可将相邻两个固定盖板稳定卡住，使得固定盖板能够将实验电路模块固定在支撑架上。如图3 所示，固定盖板底边和箱体顶端边缘通过盖板轴链相连，以铰接的方式将固定盖板连接在箱体上，既保证了固定盖板的稳定性，使固定盖板能够牢固地连接在箱体上，又能使固定盖板具有一定的灵活度，便于打开和闭合。

2.4 实验电路模块

2.4.1 简单实验电路模块

简单实验电路模块主体为长方体结构，其长度、宽度均与中心支撑架分隔出的矩形合围空间相等。在简单实验电路模块外侧有横截面为直角三角形的支撑条，支撑条能使简单实验电路模块与支撑架有效贴合并稳固置于支撑架上（图4）。

2.4.2 复杂实验电路模块

如图5 所示，复杂实验电路模块主体为长方体结构，在模块中部有一个支撑缺口。支撑缺口顶部有一个三角形的凹槽，三角形凹槽的两条边与中心支撑架的两条边大小相等，即通过支撑缺口能够使复杂实验电路模块中部卡在中心支撑架上，两侧分别落入中心支撑架分隔出的矩形合围空间内。复杂实验电路模块边缘有横截面是一角为30°、斜边与支撑架边长等长的直角三角形的安装条，通过安装条和支撑缺口能使复杂实验电路模块与支撑架有效贴合并稳固置于支撑架上。

简单实验电路模块和复杂实验电路模块顶部为印刷电路板，元件预先焊接在电路板背面，电路板正面预留有导线接线端子，实验时可利用导线完成电路的搭建与测试[5]。

3 模塊化电子技术实验箱的组装使用

首先，使用该模块化电子技术实验箱时，需将支撑架置于箱体中，先固定好边沿支撑架和中心支撑架。边沿支撑架和中心支撑架相互配合将箱体内空间分隔成多个矩形合围空间，利用多个矩形合围空间作为箱体内的若干实验区域。其次，将电源模块放置在中间位置，并在箱体底部通过紧固件进行固定，即完成了实验箱的组装。

当开展实验时，选择所需的实验电路模块并放置在实验区域的矩形合围空间内，扣好固定盖板。检查电源模块是否固定良好，电源模块、实验电路模块与支撑架接触是否良好，固定盖板是否已压紧实验电路模块，在确认这些均已接触固定良好后，即可开始实验内容。实验时的实验数据可通过仪器仪表直接测量得到，也可通过实验电路模块中的数据采集模块进行采集，这些数据经箱体侧壁的拓展端口传输至数据处理终端进行实验数据的统计整理。实验完毕后，打开固定盖板，取下实验电路模块[6-7]。

在箱体的设计上，侧面预留了拓展端口。拓展端口通过卡扣固定在箱体侧壁，数据采集模块与数据处理终端通过插拔方式在拓展端口处连接。当需要使用其他接口类型时，只需解除卡扣取下拓展端口，换上所需接口，重新固定在箱体，即可完成多接口类型的适配。

4 结语

本文通过设计一种基于模块化的电子技术实验箱，将原本一整块电路板根据其功能拆分成若干小的电路板，并设计支撑架及固定盖板使拆分后的电路板也能稳定放置在实验箱内。将电路板模块化后，使实验箱在有限的空间内能够完成更多的实验项目，提高了器材利用率。电路出现损坏时也仅需更换对应的模块而无须更换整个电路板，减少不必要的浪费，节省维修时间，简化维修操作步骤。

该实验箱的设计使用，既能解决现有实验箱的使用痛点，又能够进一步提高学员学习电子类课程的学习兴趣和效率，增强学员的电路设计能力和动手操作能力。同时，实验箱的拓展端口为信息化实验教学、计算机辅助教学提供硬件支撑，促进教学手段信息化，满足后续教学内容的拓展延伸需求。

参考文献

[1] 刘杰，文斌，袁懋结，等．新型模块式可视化模拟电路实验箱的研制[J]．实验科学与技术，2020，18（1）：106-110．

[2] 严奎，徐国峰，陈伟，等．模块化数字电子技术实验平台开发及教学应用[J]．中国现代教育装备，2022（11）：53-55．

[3] 黄虹继曜，李德兴，韩绍程，等．模拟电路实验故障诊断教学实验箱开发[J]．电子制作，2022，30（16）：73-75．

[4] 刘东梅，王晓媛，刘洪臣，等．模块化电路实验教学平台的设计与实践[J]．中国现代教育装备，2021（23）：47-49．

[5] 黄霞，张冰洋．基于DE1-SoC 的模块化数字系统实验箱的研制[J]．电子制作，2023，31（1）：86-88，120．

[6] 张璞，刘宁艳，金印彬．基于模块化平台的电子系统综合设计实验[J]．中国现代教育装备，2019（19）：31-33．

[7] 陈文明，秦海鸿，卜飞飞．模块化电力电子实验装置研发[J]． 电气电子教学学报，2023，45（5）：182-187．