電路分析課程趣味性演示實驗設(shè)計

王文婷， 劉金寧， 谷志鋒， 曾春花

(軍械工程學(xué)院 a.車輛與電氣工程系，b.教務(wù)處，石家莊 050003)

電路分析課程趣味性演示實驗設(shè)計

王文婷a， 劉金寧a， 谷志鋒a， 曾春花b

(軍械工程學(xué)院 a.車輛與電氣工程系，b.教務(wù)處，石家莊 050003)

電路分析課程由于涵蓋的知識信息量大、學(xué)時數(shù)少，理論分析過程枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍較低。計算機(jī)仿真演示雖能加深知識點的理解，使抽象知識點變得直觀，但不及實物演示給人印象深刻。為了適應(yīng)新時期對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求，利用筆記本電腦、NI myDAQ、面包板設(shè)計了4個演示實驗，分別是“元器件外特性測試實驗”“直流電源實驗”“溫度測試實驗”和“數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗”。詳細(xì)介紹了演示實驗的設(shè)計要求、設(shè)計思路以及每個演示實驗的具體實現(xiàn)方案，包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實現(xiàn)方案和實驗結(jié)果。將其應(yīng)用于電路分析課程的課堂教學(xué)中，不僅能加深學(xué)員對所學(xué)知識的理解，還能激發(fā)學(xué)員的上課積極性，培養(yǎng)其工程意識和創(chuàng)新思維。

電路分析課程； 演示實驗； 實驗設(shè)計

0 引 言

電路分析課程是電類專業(yè)開設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，由于該課程涵蓋的知識信息量大、學(xué)時數(shù)少，理論分析過程枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍較低[1]。為了改變這一現(xiàn)狀，不少高校將計算機(jī)仿真引入課堂，使理論教學(xué)與虛擬仿真實驗緊密結(jié)合，使教學(xué)知識點更加容易理解、抽象的知識變得更加直觀[2-4]。但仿真演示給學(xué)生的印象不及實物演示深刻，因此仿真演示也存在著一定的局限性[5]。為了適應(yīng)新時期對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求，課堂實物演示實驗(以下簡稱演示實驗)作為課堂教學(xué)輔助手段，也是很受歡迎的一種教學(xué)形式[6-7]。演示實驗的引入有助于活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)生對所學(xué)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新思維[8-9]。

1 演示實驗設(shè)計要求

演示實驗要想服務(wù)好理論知識的講授，除了能夠激發(fā)學(xué)員的聽課熱情、具備趣味性特點以外，設(shè)計時還必須滿足以下幾點要求：

(1) 設(shè)備簡單，便于攜帶。課堂演示實驗不同于在實驗室做實驗，所用設(shè)備盡量簡單且便于攜帶，否則不利于課堂演示實驗的開展。比如：示波器、直流穩(wěn)壓電源等笨重設(shè)備就不便于帶入課堂中。

(2) 便于操作，用時較短。如果在課堂上選擇的演示實驗的內(nèi)容過多、過長，必然造成喧賓奪主，影響科學(xué)知識和基礎(chǔ)理論的教學(xué)時間。因此，只有在有限的課堂時間內(nèi)安排合理的時間進(jìn)行演示實驗，才能達(dá)到最好的教學(xué)效果[10]。

(3) 安全可靠，現(xiàn)象明顯。演示實驗在保證設(shè)備和人身安全的基礎(chǔ)上，使學(xué)生快速看到顯著而引人關(guān)注的實驗現(xiàn)象，避免選擇一些實驗時間較長，現(xiàn)象不太明顯的實驗。

(4) 內(nèi)容科學(xué)，激發(fā)思維。實驗內(nèi)容既是課堂講授的典型電路，又要緊貼工程實際，使理論與實踐完美結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)造性思維。

2 演示實驗框架設(shè)計

本著以上設(shè)計原則，我們利用筆記本電腦(安裝有LabVIEW及相應(yīng)硬件驅(qū)動)、NI myDAQ、面包板設(shè)計了“元器件外特性測試實驗”“直流電源實驗”“溫度測試實驗”“數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗”4個典型實驗。演示實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 演示實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NI myDAQ是美國國家儀器(National Instruments，NI)公司推出的是一款采用USB供電的便攜式教學(xué)設(shè)備，能方便應(yīng)用于課堂演示中[11]。NI myDAQ能向?qū)嶒炿娐诽峁?5 V和+5 V直流電源，不用另外增加直流穩(wěn)壓電源；利用LabVIEW編程和虛擬儀器技術(shù)，通過采集實驗電路的輸出，將實驗結(jié)果在筆記本電腦的虛擬面板上顯示，省去了示波器；另外還能通過NI myDAQ的8路模擬輸出口輸出幅值、頻率、相位任意可調(diào)的正弦波形，給實驗電路充當(dāng)交流信號源；通過NI myDAQ的8路數(shù)字I/O口給實驗電路加入數(shù)字信號。

3 4個演示實驗介紹

3.1 元器件外特性測試實驗

(1) 實驗?zāi)康?。元器件的外特性也稱為伏安特性，它與基爾霍夫定律統(tǒng)稱為電路分析的兩類約束，在電路分析中占據(jù)重要地位，對其進(jìn)行測試實驗，能加深學(xué)員對常見元器件伏安特性的理解。

(2) 實驗原理[12]。由戴維寧定理可知，NI myDAQ的模擬輸出口相當(dāng)于一個電壓源，可用一個理想電壓源和一個表示電源內(nèi)阻的電阻串聯(lián)來表示。其中理想電壓源電壓為開路電壓E，電源內(nèi)阻用R0來表示。

測試電路原理如圖2所示。在模擬輸出口輸出直流電壓E，只要測出Ui和UR，在知道精密電阻R的值后，根據(jù)U=Ui-UR和I=UR/R就可以得到該輸出電壓對應(yīng)下的U、I值，不斷改變E的大小，就可得到不同工作狀態(tài)的U、I值，而U、I的約束關(guān)系也就是二極管的伏安特性。

圖2 外特性測試原理圖

(3) 實現(xiàn)方案。硬件：利用NI myDAQ模擬輸出口輸出直流電壓E，2路模擬輸入口測試Ui和UR。軟件：在While循環(huán)中，以“起始電壓”值(一般設(shè)為0)為E的初值，以“步進(jìn)增量”值為步長正向增大，每次輸出一個E，就從模擬輸入口測出對應(yīng)的Ui和UR，并計算出對應(yīng)下的U、I值。為了避免損壞元器件，程序設(shè)置了E的最大值和最大正、反向電流，當(dāng)超出其設(shè)置值，程序就從循環(huán)的自動索引隧道獲得測試所得的U、I兩個一維數(shù)組，之后將其捆綁在一起進(jìn)行顯示就行了。

(4) 實驗結(jié)果

按著上述實現(xiàn)方案，分別對IN4727A型號二極管、1 kΩ普通電阻、mfh103-3950型熱敏電阻、新、舊干電池幾種元器件的外特性進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖3所示。

(a) 二極管正向特性

(b) 二極管反向特性

(c) 1 kΩ電阻外特性

(d) 不同溫度下熱敏電阻外特性

(e) 新干電池外特性

(f) 舊干電池外特性

圖3 元器件外特性實驗結(jié)果

3.2 直流電源實驗

(1) 實驗?zāi)康?。直流電源是由整流器后接濾波器構(gòu)成。整流器是將交流電轉(zhuǎn)換成脈動直流電壓，為了能給電子電路供電，濾波后的電壓必須經(jīng)過濾波器變成恒定的直流電壓，而電容常用做直流電源的濾波器[13]。進(jìn)行直流電源實驗主要驗證電容的濾波特性和充放電特性，拓展學(xué)員對電容元件應(yīng)用領(lǐng)域的知識面。

(2) 實驗原理。直流電源電路選用全波倍壓整流電路(見圖4)，將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動直流電，在整流電路之后接入一個較大容量的電容器，利用其濾波特性，改善輸出電壓的脈動程度，進(jìn)而為負(fù)載(這里是發(fā)光二極管)供電。

(3) 實現(xiàn)方案。硬件：利用NI myDAQ的模擬輸出口通過編程輸出有效值為10 V的正弦信號，充當(dāng)該實驗的交流電源；利用myDAQ的模擬輸入口采集負(fù)載兩端的電壓。軟件：利用LabVIEW支持的多線程技術(shù)，在While循環(huán)中，平行放置兩個DAQ助手，一個負(fù)責(zé)輸出模擬電壓，一個負(fù)責(zé)采集模擬電壓，程序的停止靠前面板的“停止”按鈕控件進(jìn)行控制。

圖4 直流電源實驗電路

(4) 實驗結(jié)果。為了驗證電容的濾波效果，這里選擇了10 μF、100 μF和470 μF 3個不同數(shù)值的電容進(jìn)行實驗，結(jié)果如圖5所示。實驗表明：隨著電容值的增大，濾波效果會更好。

(a) 10 μF

(b) 100 μF

(c) 470 μF

圖5 不同電容值對應(yīng)的電壓波形

3.3 溫度測試實驗

(1) 實驗?zāi)康?。電橋和由運算放大器構(gòu)成的放大電路是電路課程中兩種典型電路，將這兩種電路連接在一起，稱為電橋放大電路，此電路在測試領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[14]。將電橋的一個橋臂換成傳感器，就可以構(gòu)成溫度、濕度、拉力等非電量的測試電路。開展溫度測試實驗，可以加深學(xué)員對電橋放大電路工程應(yīng)用的認(rèn)識，并對現(xiàn)代測試技術(shù)有一個宏觀認(rèn)識。

(2) 實驗原理。實驗原理如圖6所示。當(dāng)R1>>R時，利用運算放大器虛短和虛斷性質(zhì)及線性電路的疊加原理得：

(1)

(2)

(3)

聯(lián)立式(1)～(3)可得：

(4)

當(dāng)δ/2<<1時，uo與δ之間近似成線性關(guān)系，即：

(5)

測試時，需要根據(jù)uo計算出溫度傳感器對應(yīng)的電阻值

(6)

圖6 溫度測試實驗電路

(3) 實現(xiàn)方案。硬件：運算放大器工作所需的±15 V直流偏置電壓由myDAQ的直流電源提供；溫度測試電路的直流電源由myDAQ的模擬輸出口通過編程提供；利用myDAQ的模擬輸入口采集溫度測試電路的輸出電壓。另外溫度傳感器選用mfh103-3950型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻；運算放大器采用高增益運算放大器UA741芯片。軟件：首先利用“曲線擬合”函數(shù)(按著“函數(shù)→Express→信號分析→曲線擬合”路徑尋找)對熱敏電阻進(jìn)行直線擬合，計算出直線的截距和斜率，并得到直線方程，再將式(6)計算出的電阻值代入直線方程，即可得到當(dāng)前溫度值，然后將這一溫度與預(yù)設(shè)值比較，若溫度高于或低于預(yù)設(shè)值，通過布爾指示燈控件進(jìn)行報警。界面如圖7所示。

圖7 溫度測試實驗界面

3.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗

(1) 實驗?zāi)康?。在電子技術(shù)中，模擬量與數(shù)字量的互相轉(zhuǎn)換是很重要的[15]。在計算機(jī)控制時，首先將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能在計算機(jī)中進(jìn)行運算和處理，然后將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，才能實現(xiàn)對控制對象的控制。本實驗選擇倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行演示，不但能加深學(xué)員對倒T形網(wǎng)絡(luò)和運算放大器的理解，還能使學(xué)員對計算機(jī)測控技術(shù)有個初步認(rèn)識。

(2) 實驗原理[16]。數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗電路原理見圖8。

圖8 數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗電路

根據(jù)電路串并聯(lián)知識可知，電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻均為R，且不管數(shù)字信號是1或0，各支路的電流是不變的，因此:

(7)

電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流：

(8)

運算放大器輸出的模擬電壓為：

(9)

(3) 實現(xiàn)方案。硬件：利用NI myDAQ的4路數(shù)字I/O口輸出4個數(shù)字信號，用于控制圖8中的4個單刀雙擲開關(guān)；利用NI myDAQ的直流電源向運算放大器提供±15 V直流偏置電壓；利用模擬輸出口向數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供直流電源UR；利用模擬輸入口采集數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓。軟件：在前面板放置一個布爾控件數(shù)組，并設(shè)置4個布爾控件元素，用布爾控件的“1”和“0”代表數(shù)字量的高低電平，再用DAQ助手配置4個數(shù)字輸出口，并將上述布爾控件數(shù)組連到DAQ助手的數(shù)據(jù)端，即可輸出4個數(shù)字量；將4個數(shù)字量代入式(9)，就可得到該數(shù)字量對應(yīng)的理想模擬量；利用多線程技術(shù)，平行放置另外2個DAQ助手，分別用于輸出直流電壓UR和采集數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓，該電壓為實測模擬量；最后將理想模擬量和實測模擬量進(jìn)行比較，得出誤差。界面如圖9所示。

圖9 數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗界面

4 結(jié) 語

演示實驗作為輔助教學(xué)手段，對提高課堂授課質(zhì)量和提升學(xué)員的創(chuàng)新意識有一定幫助。筆者設(shè)計的4個針對電路課程的課堂演示實驗，目的在于起到拋磚引玉的作用，不斷推動課程教學(xué)改革步伐，全面培養(yǎng)適

應(yīng)新時代要求的高素質(zhì)新型人才。

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Design of Interesting Demonstration Experiment for Circuit Analysis Course

WANGWenting1,LIUJinning1,GUZhifeng1,ZENGChunhua2

(a. Department of Vehicles and Electrical Engineering, b. Dean’s Office, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Because circuit analysis course coverts a large amount of knowledge and information, has less number of course hours and the theoretical analysis process is boring, students generally have lower interest in learning. Although the computer simulation demonstration can deepen the understanding of knowledge points, can make abstract knowledge points become intuitive, but it is not as impressive as the physical demonstration. In order to meet the training requirements of innovative talents in the new period, four demonstration experiments which are “external characteristics testing experiment of components”, “DC power experiment”, “temperature testing experiment” and “digital to analog conversion experiment” are designed using a laptop, NI myDAQ and breadboard. Design requirements and design ideas of the demonstration experiments, as well as the concrete realization scheme of each demonstration experiment are introduced in detail, including experimental purpose, experimental principle, realization scheme and experimental results. If they are applied in the classroom teaching of Circuit Analysis Courses, it can not only deepen the students’ understanding of the knowledge, but also stimulate their enthusiasm in the class, develop their engineering consciousness and innovative thinking.

circuit analysis course; demonstration experiment; experimental design

2016-08-11

2015年軍械工程學(xué)院立項課題階段性成果(jxlx1542)

王文婷(1979-),女,河北平山人,碩士,講師,研究方向為測試技術(shù)及電路仿真。

Tel.:13933175851; Email:w_wenting@163.com

TM 133; G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0199-05