模擬電子技術(shù)故障模擬實驗箱開發(fā)
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電子電路是計算機、通信與自動化等系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，與工業(yè)生產(chǎn)和日常生活息息相關(guān)。隨著現(xiàn)代電子工程的發(fā)展，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，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。電路故障模擬與診斷技術(shù)不但能夠進行故障定位和故障排除，還能指導(dǎo)電路系統(tǒng)的設(shè)計與生產(chǎn)，幫助改進電路系統(tǒng)生產(chǎn)工藝與設(shè)計，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，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會發(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)定性對電子電路系統(tǒng)可靠性起著至關(guān)重要的作用，對模擬電子技術(shù)故障模擬技術(shù)進行深入研究很有必要。
一、模擬電路故障模擬實驗箱的要求
北京交通大學(xué)自2007年開始，遵循“興趣驅(qū)動、自主實驗、重在過程”的原則，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、實踐能力和團隊精神，調(diào)動大學(xué)生學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性和主動性，進行以解決問題為核心、以科研課題為依托的大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃。“模擬電子技術(shù)故障模擬實驗箱的開發(fā)”作為一個北京交通大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃題目，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。本實驗課題需要學(xué)生掌握電路設(shè)計、PCB、系統(tǒng)焊接與調(diào)試、機械制作等多領(lǐng)域知識。實驗題目需要利用的資源包括計算機、PCB設(shè)計軟件、示波器、信號源、焊接工作臺、直流電源、鉆孔機、模擬電路實驗箱等。“模擬電子技術(shù)故障模擬實驗箱的開發(fā)”題目要求如下：制作一個教學(xué)和科研均可使用的模擬電路故障模擬實驗箱，實驗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）。自制實驗箱直流穩(wěn)壓電源（+12V、-12V、+5V）和波形發(fā)生器。模擬電路板插入實驗箱后，借助實驗箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動實現(xiàn)電路板的供電連接與信號輸入（若電路板需要特殊信號，可以在電路板預(yù)留插口以方便外接信號源）。每個模擬電路板選取最容易發(fā)生故障的元件進行故障模擬，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）。每個電路板預(yù)留幾個關(guān)鍵節(jié)點插口，以供外接示波器或其他測量儀器觀察故障信息。要求實驗箱實物外觀精致，具有較強的實用性，能夠達到教學(xué)、科研和展覽等要求。該實驗計劃題目的創(chuàng)新特色在于：可以自由切換模擬電路板；自動實現(xiàn)電路板的供電連接和信號輸入；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驗箱的制作
模擬電路故障模擬實驗箱的外殼選用中小型實驗箱，然后自己進行改裝，需要鉆孔、安裝其他部件、噴涂文字標識等。實驗箱附帶幾塊方便插拔的常見模擬電路板，實驗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。實驗箱直流電源使用220V交流電，內(nèi)部直流電源將220V交流電變?yōu)?12V、-12V和+5V等直流電。直流電源的功率和穩(wěn)定性達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，實驗箱可以根據(jù)需求制作波形發(fā)生器。模擬電路故障模擬實驗箱在四個角預(yù)留可以插入模擬電路板的插槽，需要精心設(shè)計實驗箱的固定插孔和電路板的固定腳，從而實現(xiàn)模擬電路板的靈活插拔。實驗箱部分固定孔已經(jīng)與直流電源連接，當模擬電路板插入實驗箱后，通過實驗箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動實現(xiàn)電路板的供電連接或信號輸入。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)計電源開關(guān)，通過開關(guān)控制是否供電或輸入信號。部分電路板電路圖。為了避免故障太多導(dǎo)致無法正常模擬采集數(shù)據(jù)，每個模擬電路板只選取幾個容易發(fā)生故障的元件進行故障模擬，故障元件可以根據(jù)理論、仿真和實踐經(jīng)驗進行選擇。每個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。使用者能夠自由選擇電路板和故障類型，并使用外接儀器測量模擬電路的關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)（節(jié)點電壓、信號頻率和波形質(zhì)量等）。每個電路板預(yù)留幾個關(guān)鍵節(jié)點插口，以供外接示波器和其他儀器觀察故障信息。關(guān)鍵節(jié)點的選取需要經(jīng)過理論推導(dǎo)和實驗驗證，保證這些節(jié)點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)點的數(shù)量需要不多不少，數(shù)量太多會導(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)點太少會導(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)計完成，然后改裝與實驗箱匹配。
三、結(jié)束語
最終模擬電路故障模擬實驗箱的制作完成了設(shè)計要求，實驗箱實物外觀精美，內(nèi)部構(gòu)造完整，具有較強的實用性和工程性，能夠達到模擬電子技術(shù)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的要求，達到了大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目的實施效果。創(chuàng)新實驗激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和動手能力，在項目實踐過程中逐漸學(xué)會了思考問題、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。
作者：黃亮 侯建軍 馬慶龍 陳新 李趙紅 單位：北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 國家電工電子實驗教學(xué)示范中心