電氣測試技術(shù)課程峰值電壓測量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

史敬灼

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471023

在工科高校教學(xué)過程中，課程實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一[1]。課程實(shí)驗(yàn)與課程的課堂教學(xué)具有同等重要的地位，兩者相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)使學(xué)生掌握知識并具備實(shí)際應(yīng)用知識能力的教學(xué)目的[2,3]。目前，國家提倡加強(qiáng)工科大學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)[1,3]。在這樣的背景下，如何使課程實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)、更好地提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用知識的能力，是需要我們深入思考的一個(gè)課題。

電氣測試技術(shù)是本科電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)課。本文介紹該課程峰值電壓測量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，說明了改革課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過程以促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的具體做法。

1 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

以前，電氣測試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)是在外購的測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行的，其弊端主要有二：一是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)際授課內(nèi)容之間存在不一致性；二是測量裝置、處理電路都封裝在機(jī)殼內(nèi)，實(shí)驗(yàn)動手過程多表現(xiàn)為接線過程。這些弊端使得通過課程實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對所學(xué)知識理解、鍛煉動手應(yīng)用知識能力的目的難以達(dá)成。

針對這些問題，峰值電壓測量實(shí)驗(yàn)嘗試采用自制的峰值電壓測量電路為實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)電路與課程教材內(nèi)容完全對應(yīng)一致。實(shí)驗(yàn)從學(xué)生在電路板上手工焊電子元件開始，然后用自己焊的電路板完成測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，采用學(xué)生利用課余時(shí)間在開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式，設(shè)定完成期限，不設(shè)定具體時(shí)間。為學(xué)生提供充分的研學(xué)空間，充分鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。

1.1 正弦電壓信號發(fā)生電路單元

為實(shí)現(xiàn)峰值電壓測量，實(shí)驗(yàn)所用的峰值電壓測量電路，首先應(yīng)產(chǎn)生被測量的正弦電壓信號。圖1所示電路中的集成電路芯片U1-ICL8038，U2-OPA551用來實(shí)現(xiàn)這一功能。圖1中元件T1為“測試點(diǎn)”，是為了便于連接示波器探頭進(jìn)行信號測試而額外加入的。元件DJ1為2P單排針，可插上跳，連接兩個(gè)端點(diǎn)。DJ1用來改變U1輸出正弦信號的頻率。根據(jù)ICL8038芯片輸出信號頻率計(jì)算公式及圖1所示電路參數(shù)，計(jì)算可知，DJ1插上跳帽，U1輸出正弦電壓信號的頻率約為50 Hz；不插跳帽，頻率約為5 kHz。設(shè)計(jì)DJ1用以實(shí)現(xiàn)切換信號頻率的目的，是為了在實(shí)驗(yàn)過程中，考查被測信號頻率高、低與電路參數(shù)值設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。

圖1 正弦電壓信號發(fā)生電路原理圖

圖1所示集成電路芯片U2-OPA551是一種大電流輸出的運(yùn)算放大器，其輸出端可持續(xù)輸出200 mA電流，以滿足后續(xù)峰值檢測電路的功率需求。同時(shí)，U2對U1輸出的正弦電壓信號進(jìn)行電壓放大；調(diào)節(jié)電位器R8可使正弦電壓幅值在5.2～10.5 V之間可調(diào)，用以觀察被測信號峰值變化情況下的測量性能。

1.2 無源峰值電壓測量電路單元

圖1所示電路輸出的正弦信號，是峰值測量電路單元的輸入信號。圖2為實(shí)驗(yàn)電路中的無源峰值電壓測量電路單元是由R10，D1，C9等元件構(gòu)成的電路單元，利用對電容器C9的半波整流充電實(shí)現(xiàn)無源峰值電壓測量。

圖2 無源峰值電壓測量電路原理圖

1.3 有源峰值電壓測量電路單元

圖3 為實(shí)驗(yàn)電路中的有源峰值電壓測量電路單元。電路中的U4-LM258為通用運(yùn)算放大器，U3-LM311P為電壓比較器，其輸出端有別于一般的電壓比較器，為OC&OE(集電極、發(fā)射極均為開路)結(jié)構(gòu)。這種特殊的輸出端結(jié)構(gòu)，使得LM311P更適用于峰值電壓測量。

圖3 有源峰值電壓測量電路原理圖

這里需注意的是，當(dāng)電壓比較器LM311P的“+”輸入端電壓IN“+”大于其“–”輸入端電壓IN–時(shí)，LM311P的輸出端晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，電容C10通過電阻R12，R13向負(fù)電源VCC-放電；反之，當(dāng)IN+小于IN–時(shí)，其輸出端晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，電容C10被正電源VCC快速充電，從而實(shí)現(xiàn)峰值電壓檢測。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1 焊電路板

提供電路原理圖和電路板元件布局圖，要求學(xué)生嚴(yán)格按照原理圖中給出的各個(gè)元件類型、型號、數(shù)值參照元件布局圖在電路板上對應(yīng)位置完成元件手工焊接。并提醒學(xué)生注意，元件焊接的順序應(yīng)該是按照元件高/矮、大/小，先焊矮的、小的元件，再焊高的、大的元件。有極性元件的極性一定不要反接。

完成元件焊接后，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格，可以通電調(diào)試，按照信號流程從前到后的順序，對照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的波形圖，依次確認(rèn)電路功能正常。

2.2 峰值電壓信號測試與分析

電路板調(diào)試完成后，按照下列步驟進(jìn)行信號測試與分析。

(1) DJ1不插跳帽。

(2) 測量測試點(diǎn)T1波形(被測正弦電壓信號)，調(diào)節(jié)電位器R8，觀察正弦電壓幅值的變化，并記錄頻率、幅值。之后，調(diào)節(jié)電位器R8使正弦電壓幅值為可調(diào)范圍的中間值。

(3) 同時(shí)測量測試點(diǎn)T1，T2波形，對比無源峰值電壓測量電路的輸入、輸出信號波形，討論、評估峰值電壓測量效果，分析測量誤差。

(4) 同時(shí)測量測試點(diǎn)T1，T3波形，對比有源正峰值電壓測量電路的輸入、輸出信號波形，討論、評估峰值電壓測量效果，分析測量誤差；調(diào)節(jié)電位器R13，改變電容放電回路電阻，觀察測量效果的變化，并分析變化原因。

(5) DJ1插跳帽。重復(fù)步驟(2)～(4)。

(6) 元件C9：在103之上，焊上105。分別在DJ1插跳帽、不插跳帽情況下，重復(fù)步驟(3)。

在上述實(shí)驗(yàn)過程中，對測量效果的評估包括測量精度、完成測量所需時(shí)間等指標(biāo)。要求學(xué)生在評估測量效果、分析測量誤差時(shí)，注意以下因素：被測信號的頻率高低，被測信號的峰值是否時(shí)變、快變還是慢變，測量數(shù)據(jù)讀取方式。

2.3 實(shí)驗(yàn)前講解與實(shí)驗(yàn)中的指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)教師應(yīng)講解實(shí)驗(yàn)用電路的工作原理。另外，為便于學(xué)生完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)，作為對課堂講授知識的補(bǔ)充，還可講解如下幾點(diǎn)內(nèi)容：電壓比較器輸出電壓波形的高電平電壓值、低電平電壓值，電壓比較器的推挽式、集電極開路(OC)輸出端結(jié)構(gòu)，OC輸出端的實(shí)際用途等。

在實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)教師可根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況不斷提出新的問題，引領(lǐng)學(xué)生不斷研究、探討，鍛煉學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力。

3 結(jié)語

課程實(shí)驗(yàn)是高校實(shí)踐教學(xué)體系中的重要一環(huán)。本文所述峰值電壓測量實(shí)驗(yàn)，在加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)方面進(jìn)行了嘗試。采用自制電路板作為實(shí)驗(yàn)裝置，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課堂講授知識緊密結(jié)合，將課程實(shí)驗(yàn)與理論授課更好地融為一體；實(shí)驗(yàn)裝置對學(xué)生全開放，學(xué)生在掌握電路工作原理的基礎(chǔ)上，自己焊電路板，調(diào)試電路并進(jìn)行信號測量與分析，輔以指導(dǎo)教師的適時(shí)引導(dǎo)，切實(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐動手能力和知識運(yùn)用能力。