基于模塊化設計的測控電路實訓平臺應用研究

周圍　甘凱　肖艷軍　孟召宗　劉偉玲

摘 要

在現(xiàn)有的測控電路學科教學基礎上，為提高學生自己設計電路的能力，考慮到實用方便的需求，建立一套模塊化并且導線連接方式為接插式的測控電路綜合實訓平臺。教學實踐表明，該測控電路綜合實訓平臺的建立，在很大程度上促進了學生對測控電路相關(guān)知識的理解和學習，增強學生的學習興趣，提高學習效率，為測控電路學科的實踐教學提供了新的學習方法，既彌補了常用PCB電路板功能過于單一的缺點，也彌補了操作不便的不足。

關(guān)鍵詞

測控電路;綜合實訓平臺;模塊化;接插

中圖分類號： G642;TN70-4? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.005

0 前言

近年來，隨著全球人工智能技術(shù)和自動化水平的迅速提高，測控技術(shù)成為一門火熱的學科，而測控電路的學習對其有直接的影響。

測控電路作為測控技術(shù)學習的核心，其水平的高低直接影響一個測控系統(tǒng)的檢測精度和速度?，F(xiàn)在高校中對于測控電路的教學，主要是分為書本上的理論學習和學生的動手實踐，而絕大多數(shù)學生都是理論掌握得不錯，但是卻沒有自己動手設計電路的能力，這與實驗設備和方法的不當有直接關(guān)系。

本文針對學生設計測控電路能力薄弱的問題，提出一種基于模塊化設計的測控電路綜合實訓平臺，學生可以自己動手設計調(diào)試測電路，并且整個平臺采用接插式的元器件連接方式，操作方便快捷，不再采用傳統(tǒng)的焊接方式，。模塊化設計的測控電路綜合實訓平臺的使用，大大改善了教學效果，提高了學生的創(chuàng)新能力和動手操作能力。

1 實訓平臺的設計背景及意義

目前，國內(nèi)絕大部分高校對于測控電路學科的教學，除了課上基礎理論的教學，為了增強學生的動手實踐能力，都已經(jīng)加上了實踐課。但是，實踐課的內(nèi)容都是采用較為傳統(tǒng)的方式，即給學生提供沒有焊接元器件的PCB電路板和相關(guān)原理圖，學生只要按照原理圖將元器件一一焊接完成即完成實踐課的教學內(nèi)容。這種方法存在很明顯的弊端，很大一部分學生只負責焊接元器件，并沒有真正理解電路的本質(zhì)和作用，并且焊接的時候存在一定的安全隱患。

基于模塊化設計的測控電路實訓平臺的搭建和使用，完全顛覆了以往的測控電路實踐課的教學方式，為了提高學生對于測控電路的設計能力，不再使用固定功能的電路板供學生焊接元器件，而是以輸入輸出模塊和集成運算模塊兩個模塊為學習核心，學生可以根據(jù)需要自主選擇兩個模塊的使用數(shù)量，給學生最大的自由發(fā)揮空間;并且兩個模塊都采用鎖緊座的方式，可以自由更換芯片和電容電阻等元器件，大大提高了學習效率。這種方式采用，不僅深入貫徹了工程教育專業(yè)認證的理念，而且為學生畢業(yè)后的就業(yè)大大增加了競爭優(yōu)勢。

2 模塊化設計

本測控電路綜合實訓平臺的搭建，由兩種模塊組成，其分別為輸入輸出模塊和集成運算模塊。兩個模塊功能不同，但是卻能夠相輔相成，可以完成絕大多數(shù)測控電路的搭建和調(diào)試，并且所有的線路連接都采用插拔式的實驗線進行連接，方便快捷。

2.1 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊，顧名思義，即承擔電路的信號輸入和信號輸出的責任，如圖1所示。每一個輸入輸出模塊都提供一個電源的接線端子，雖然只有一個接線端子，但是模塊內(nèi)部將每個電源線都分成了四個串聯(lián)的接線口。因此，每一個輸入輸出模塊都可以提供十二條電源的接線口，完全可以滿足需求。另外，每一個模塊還提供了五個三管腳的接線端子，共十五個管腳供傳感器等信號的輸入和電信號的輸出，實現(xiàn)功能的多元化。

2.2 集成運算模塊

集成運算模塊，其主要承擔了電信號的處理和集成運算的功能，如圖2所示。每一個集成運算模塊都包含兩個16P鎖緊座，如圖2中所示，每個鎖緊座都可以安裝不同的芯片、電阻、電容等元器件，隨時更換無須反復使用焊槍進行焊接，節(jié)約資源降低了實驗成本，并且更換元器件不會對電路板和元器件造成任何損壞，可以重復可持續(xù)利用。另外模塊還提供了三管腳的接線端，可以供滑動變阻器和三極管等三管腳元器件使用，大大豐富了模塊的功能。

圖1 輸入輸出模塊

綜上所述，基于模塊化設計的測控電路綜合實訓平臺的設計和使用，以提高學生的自主設計電路能力為目標，以低成本、可循環(huán)使用和操作方便為設計原則和理念，大大改善了測控電路學科的教學效果。

圖2 集成運算模塊

3 實訓平臺教學應用實例

本文設計的基于模塊化設計的測控電路綜合實訓平臺在2018年和2019年本科生教學中得到了應用。學生可以通過先關(guān)參數(shù)計算，分析電路，自己動手操作設計搭建出完整的光電檢測的測控電路。

整個電路大概分為以下幾個模塊：信號調(diào)制、I/V變換、高通濾波、信號解調(diào)和信號放大，電路系統(tǒng)流程圖如圖3所示，整個電路由±12V開關(guān)電源供電，首先由NE555和CD4013芯片產(chǎn)生提供一定頻率的方波作為載波信號對發(fā)光二極管進行調(diào)制，學生們使用示波器對信號進行采集，如圖4所示。

圖3 電路系統(tǒng)流程圖

圖4 載波信號

本實驗選用硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換器件，由于硅光電池為電流輸出，學生自己設計分析I/V變換電路，并且根據(jù)公式1計算截止頻率，設計出高通濾波電路，進而排除外界干擾光的影響，實驗效果比較理想。

ωc=1/Rc（1）

學生可以自己分析測控電路課上講解的多種解調(diào)方式，自主選擇其中一種對信號進行解調(diào)，并且深入分析計算各個電阻電容值，將待測直流電壓信號從調(diào)制信號中解調(diào)出來，并非機械化按照原理圖進行元器件的連接，極大程度地鍛煉了學生的電路分析設計能力。

最后信號放大模塊更是給學生絕對的發(fā)揮空間，部分學生選擇如圖5所示的同向放大電路，并根據(jù)公式2計算放大倍數(shù)，另外部分同學選擇如圖6所示的反向放大電路，并根據(jù)公式3計算放大倍數(shù)，其中不僅僅要考慮到電阻值的選擇，還要考慮到是否超過供電電壓，這不但鍛煉了學生的電路設計能力，也培養(yǎng)了學生全面思考問題的習慣。

圖5 同向放大電路

k=1+（2）

圖6 反向放大電路

K=-（3）

4 總結(jié)

基于多年的測控電路學科教學經(jīng)驗，為改善教學效果，設計一個基于模塊化的測控電路綜合實訓平臺。近兩年來，在測控電路課程中展開應用，取得了良好的教學效果，涌現(xiàn)出多名優(yōu)秀學生，得到了絕大多數(shù)學生的肯定與支持，課堂氣氛熱烈，能夠啟發(fā)學生進行深度思考。新的實驗平臺以學生為中心，鍛煉學生的自主設計能力，也為畢業(yè)以后的就業(yè)增添籌碼，提高自己的競爭力。