模擬電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗(yàn)箱開發(fā)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)*

黃亮　侯建軍　馬慶龍　陳新　李趙紅（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京100044）

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模擬電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗(yàn)箱開發(fā)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)*

黃亮侯建軍馬慶龍陳新李趙紅
（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京100044）

摘要：模擬電路的可靠性對(duì)電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性起著至關(guān)重要的作用。本文借助大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃平臺(tái)，開發(fā)了一款模擬電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗(yàn)箱。模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱具備電路板方便插播、自動(dòng)接入電源和信號(hào)、可以自由選擇故障類型等特點(diǎn)，達(dá)到了模擬電子技術(shù)教學(xué)和科學(xué)研究的使用要求。

關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù)；故障模擬；實(shí)驗(yàn)箱；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

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

電子電路是計(jì)算機(jī)、通信與自動(dòng)化等系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，與工業(yè)生產(chǎn)和日常生活息息相關(guān)[1]。隨著現(xiàn)代電子工程的發(fā)展[2]，電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，對(duì)電路系統(tǒng)的故障模擬技術(shù)與可靠性提出了更高要求。一旦電子電路發(fā)生故障，系統(tǒng)將無法正常工作。除了電路分析與電路設(shè)計(jì)，電路故障模擬與診斷技術(shù)也是電子技術(shù)領(lǐng)域重要的教學(xué)與研究重點(diǎn)。電路故障模擬與診斷技術(shù)不但能夠進(jìn)行故障定位和故障排除，還能指導(dǎo)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，幫助改進(jìn)電路系統(tǒng)生產(chǎn)工藝與設(shè)計(jì)，從而全面保證電路系統(tǒng)的質(zhì)量和性能。

電子電路系統(tǒng)往往是由模擬電路與數(shù)字電路共同組成的綜合系統(tǒng)。有資料表明[3]，雖然模擬電路在所有電路系統(tǒng)中僅占15%左右，但是由模擬電路故障導(dǎo)致的電路系統(tǒng)故障高達(dá)80%，模擬電路故障率高發(fā)降低了電路系統(tǒng)的整體可靠性。例如電阻是電路系統(tǒng)的最常用元件，但是電阻在電路工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，容易出現(xiàn)阻值變化或燒毀等故障。電容由于老化或電解質(zhì)泄漏而導(dǎo)致電容值下降或鼓包等故障。由于模擬電路在電路系統(tǒng)中具有不可替代性，模擬放大電路與模擬電源是所有電路系統(tǒng)必不可少的組成單元，模擬電路的安全性與穩(wěn)定性對(duì)電子電路系統(tǒng)可靠性起著至關(guān)重要的作用，對(duì)模擬電子技術(shù)故障模擬技術(shù)進(jìn)行深入研究很有必要。

一、模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱的要求

北京交通大學(xué)自2007年開始[4]，遵循“興趣驅(qū)動(dòng)、自主實(shí)驗(yàn)、重在過程”的原則，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)精神，調(diào)動(dòng)大學(xué)生學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性和主動(dòng)性，進(jìn)行以解決問題為核心、以科研課題為依托的大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃[5]?！澳M電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗(yàn)箱的開發(fā)”作為一個(gè)北京交通大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃題目，依托指導(dǎo)教師的科學(xué)研究課題，開展了模擬電路故障模擬與診斷技術(shù)的研究。本實(shí)驗(yàn)課題需要學(xué)生掌握電路設(shè)計(jì)、PCB、系統(tǒng)焊接與調(diào)試、機(jī)械制作等多領(lǐng)域知識(shí)。實(shí)驗(yàn)題目需要利用的資源包括計(jì)算機(jī)、PCB設(shè)計(jì)軟件、示波器、信號(hào)源、焊接工作臺(tái)、直流電源、鉆孔機(jī)、模擬電路實(shí)驗(yàn)箱等。

“模擬電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗(yàn)箱的開發(fā)”題目要求如下：制作一個(gè)教學(xué)和科研均可使用的模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱附帶方便插拔的常見模擬電路板（例如共射放大電路、電阻網(wǎng)絡(luò)、文世橋振蕩器或二階濾波器等）。自制實(shí)驗(yàn)箱直流穩(wěn)壓電源（＋12V、-12V、＋5V）和波形發(fā)生器。模擬電路板插入實(shí)驗(yàn)箱后，借助實(shí)驗(yàn)箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電路板的供電連接與信號(hào)輸入（若電路板需要特殊信號(hào)，可以在電路板預(yù)留插口以方便外接信號(hào)源）。每個(gè)模擬電路板選取最容易發(fā)生故障的元件進(jìn)行故障模擬，使用者能夠自由選擇電路板和故障類型（可以通過撥碼開關(guān)控制故障元件）。每個(gè)電路板預(yù)留幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)插口，以供外接示波器或其他測(cè)量儀器觀察故障信息。要求實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物外觀精致，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠達(dá)到教學(xué)、科研和展覽等要求。該實(shí)驗(yàn)計(jì)劃題目的創(chuàng)新特色在于：可以自由切換模擬電路板；自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電路板的供電連接和信號(hào)輸入；可以自由選擇故障元件和故障類型。

二、模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱的制作

模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱的外殼選用中小型實(shí)驗(yàn)箱，然后自己進(jìn)行改裝，需要鉆孔、安裝其他部件、噴涂文字標(biāo)識(shí)等。實(shí)驗(yàn)箱附帶幾塊方便插拔的常見模擬電路板，實(shí)驗(yàn)板可以是模擬電路教學(xué)或研究中經(jīng)常使用的常見模擬電路。實(shí)驗(yàn)箱直流電源使用220V交流電，內(nèi)部直流電源將220V交流電變?yōu)椋?2V、-12V和＋5V等直流電。直流電源的功率和穩(wěn)定性達(dá)到模擬電路板的使用要求。如果某模擬電路板需要使用正弦波或方波等波形作為輸入信號(hào)，實(shí)驗(yàn)箱可以根據(jù)需求制作波形發(fā)生器。

模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱在四個(gè)角預(yù)留可以插入模擬電路板的插槽，需要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱的固定插孔和電路板的固定腳，從而實(shí)現(xiàn)模擬電路板的靈活插拔。實(shí)驗(yàn)箱部分固定孔已經(jīng)與直流電源連接，當(dāng)模擬電路板插入實(shí)驗(yàn)箱后，通過實(shí)驗(yàn)箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電路板的供電連接或信號(hào)輸入。如果模擬電路比較特殊，也可以根據(jù)需要在模擬電路板上設(shè)計(jì)電源開關(guān)，通過開關(guān)控制是否供電或輸入信號(hào)。模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物如圖1所示。

圖1　模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱

部分電路板電路圖如圖2所示。為了避免故障太多導(dǎo)致無法正常模擬采集數(shù)據(jù)，每個(gè)模擬電路板只選取幾個(gè)容易發(fā)生故障的元件進(jìn)行故障模擬，故障元件可以根據(jù)理論、仿真和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。每個(gè)故障元件可以模擬多種故障。例如電阻可能出現(xiàn)阻值下降、阻值上升、短路、斷路等不同程度的故障[6]。

圖2　模擬電路圖

使用者能夠自由選擇電路板和故障類型，并使用外接儀器測(cè)量模擬電路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[7]數(shù)據(jù)（節(jié)點(diǎn)電壓、信號(hào)頻率和波形質(zhì)量等）。每個(gè)電路板預(yù)留幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)插口，以供外接示波器和其他儀器觀察故障信息。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的選取需要經(jīng)過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證這些節(jié)點(diǎn)的信息能夠直接反映模擬電路的工作狀態(tài)[8]。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)量需要不多不少，數(shù)量太多會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量龐大，增加后來的故障診斷難度；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)太少會(huì)導(dǎo)致無法為故障診斷提供足夠的信息。模擬電路板由PCB設(shè)計(jì)完成，然后改裝與實(shí)驗(yàn)箱匹配。

三、結(jié)束語

最終模擬電路故障模擬實(shí)驗(yàn)箱的制作完成了設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物外觀精美，內(nèi)部構(gòu)造完整，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和工程性，能夠達(dá)到模擬電子技術(shù)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，達(dá)到了大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施效果。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和動(dòng)手能力，在項(xiàng)目實(shí)踐過程中逐漸學(xué)會(huì)了思考問題、解決問題的方法，小組成員得到了科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng)造的基本訓(xùn)練。

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作者簡(jiǎn)介：黃亮（1978-），男，博士學(xué)位，副教授，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教師，主要從事電子科學(xué)與技術(shù)、電路與系統(tǒng)學(xué)科的教學(xué)與科研工作。

中圖分類號(hào)：TP206

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）01-0175-03

*資助項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（項(xiàng)目編號(hào)：北京交通大學(xué)2013JBM016）；高等學(xué)校博士點(diǎn)基金新教師類（項(xiàng)目編號(hào)：20130 009120042）。