基于電路實(shí)驗(yàn)的“黑盒子”考核器設(shè)計(jì)

火箭軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部 任 靜 劉 楨 于澤祥 李 娟

為了了解學(xué)生的綜合能力，促進(jìn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器使用方法的掌握，加深對電路結(jié)構(gòu)及各參數(shù)的理解，提高“識圖”能力和“讀圖”能力，基于電路原理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了“黑盒子”考核器，并應(yīng)用于實(shí)踐中。實(shí)踐表明：“黑盒子”考核器的應(yīng)用能促進(jìn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握和對理論與實(shí)驗(yàn)之間關(guān)系的理解，為后面的電學(xué)類課程學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

“三電”實(shí)驗(yàn)是理工科專業(yè)的必學(xué)科目，其中電路原理所涉及的電路結(jié)構(gòu)相對簡單，更加側(cè)重于對電路的分析，電路原理實(shí)驗(yàn)也更側(cè)重于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測和分析。為了了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握情況，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的融會貫通和實(shí)驗(yàn)儀器的靈活使用，在電路實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了一款“黑盒子”考核器來對學(xué)生進(jìn)行考核。

這個(gè)考核器主要是綜合考查學(xué)生對于相關(guān)知識點(diǎn)的掌握情況、儀器設(shè)備的使用情況、實(shí)驗(yàn)測量與理論分析的能力。同時(shí)，鍛煉學(xué)生的逆向思維能力和綜合實(shí)踐能力。

圖1 “黑盒子”考核器內(nèi)部電路圖

圖2 第一階段“黑盒子”考核器

1 考核器的功能

考核器是完全封裝的，從外部僅能看到預(yù)留的測試點(diǎn)，測量人員可以通過測試點(diǎn)（含有無效測試點(diǎn)和等效測試點(diǎn)）來進(jìn)行相關(guān)的靜態(tài)測量和動態(tài)測量，從獲取的測試數(shù)據(jù)來推導(dǎo)內(nèi)部電路的具體結(jié)構(gòu)和各元器件的參數(shù)大小。此考核器的內(nèi)部電路主要涉及常見實(shí)驗(yàn)電路：（1）疊加原理與齊次定理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；（2）RLC串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)；（3）元件阻抗特性測定實(shí)驗(yàn)（電感、電容，其中測電容阻抗特性的電路又可以看作是測量RC一階電路響應(yīng)測試實(shí)驗(yàn)），具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。每種電路所采用的元器件大小都不一樣，這樣保證每個(gè)“黑盒子”都是不一樣的。

2 考核器的設(shè)計(jì)過程

考核器設(shè)計(jì)經(jīng)歷了幾個(gè)階段，使之具備一定的特點(diǎn)，逐步完善其功能，提高它的實(shí)用性和適用性。

第一階段：考核器完全封裝，內(nèi)部電路未知，所有“黑盒子”外觀完全一樣，只有信號源（電源）端口可以辨識，如圖2所示。此時(shí)，需要先排除無效測試點(diǎn)，然后確定可用信號源端口并區(qū)分正負(fù)極。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚，需要從四種結(jié)構(gòu)中一一查找，難度很大，需要較多時(shí)間來操作。

第二階段：針對第一階段設(shè)計(jì)的不足，對“黑盒子”考核器做了改進(jìn)，主要有以下幾個(gè)方面，即對四種電路做了區(qū)分（6個(gè)測試點(diǎn)是電容和電感的阻抗特性測定實(shí)驗(yàn)電路、8個(gè)測試點(diǎn)是疊加原理與齊次定理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和RLC串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)），保證內(nèi)部有電阻的阻值可直接測量得到，標(biāo)示清楚信號源的正負(fù)極（紅色正極、黑色負(fù)極），如圖3所示。此時(shí)，電路的類型可以通過外觀來確認(rèn)，然后通過靜態(tài)或者動態(tài)測量來判斷內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)，減少了實(shí)驗(yàn)難度，提高了可操作性，確保有限時(shí)間內(nèi)可完成考核內(nèi)容。這里需要保證電阻阻值必須是可直接測量的，同時(shí)保證電感和電容器件不會影響對考核器中無效測試點(diǎn)和等效測試點(diǎn)的判斷，這對于電感和電阻的選擇有一定的要求。

圖3 第二階段“黑盒子”考核器

圖4 第三階段“黑盒子”考核器

第三階段：保持考核器外觀不變，主要是針對內(nèi)部所采用的電阻、電容和電感器件做了調(diào)整，然后采用了器件可插拔的方式組裝，為后期器件更換調(diào)整做準(zhǔn)備，提高了可測量性。舉例如圖4所示。

3 考核器的應(yīng)用范例

以6個(gè)測試點(diǎn)的黑盒子（B類）為例，黑盒子內(nèi)置電路可以抽象為圖3.1所示。R是串聯(lián)的電阻，Z是待測元件（電感或電容）。

首先，利用萬用表的通斷測試來判斷6個(gè)測試點(diǎn)中有效測試點(diǎn)的位置，排除無效測試點(diǎn)。然后，用萬用表直接測量出串聯(lián)電阻R的大小。在確定的輸入點(diǎn)接入正弦波信號Ui，同時(shí)觀測Ui和Ur的相位情況，根據(jù)電壓、電流的超前、滯后的關(guān)系，判斷黑盒子內(nèi)Z的性質(zhì)（電感或電容），也可以逐步增大輸入信號的頻率f，根據(jù)輸出Ur的幅值隨頻率增大或減小的情況，來判斷Z的性質(zhì)。最后，根據(jù)測量出Ui和Ur的具體大小，計(jì)算出元件參數(shù)。

如果Z的性質(zhì)已經(jīng)判斷出來為電容，也可以在輸入點(diǎn)接入方波信號，用示波器觀測Uc波形，如果輸出為三角波或方波，調(diào)整方波信號的頻率，如果輸出為一階響應(yīng)曲線，根據(jù)或者找到特殊的時(shí)間t=τ，得到時(shí)間常數(shù)τ的大小，由τ=RC（R已測量得到）來推算出C的大小。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，涉及到了測量技術(shù)的應(yīng)用、RLC元件的阻抗特性、矢量圖（相量法）、一階電路的響應(yīng)、誤差估計(jì)等理論知識，具有綜合性和可研究性。

圖5 B類黑盒子內(nèi)部抽象電路

結(jié)語：“黑盒子”考核器的設(shè)計(jì)完全基于電路原理實(shí)驗(yàn)部分，電路結(jié)構(gòu)相對簡單；設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)實(shí)際需求不斷調(diào)整方案，最終用于電路原理實(shí)驗(yàn)考核中。通過隨機(jī)抽取考題，限定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)等方式，使得老師對學(xué)生的能力有了一個(gè)更清楚的了解，也讓學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)儀器的使用，電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與電路設(shè)計(jì)之間的關(guān)系有了更深的理解，為后面電學(xué)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。