適用于大專電工實驗教學的一種差分模塊設計

摘要：本文介紹了一種適用于大專電工實驗教學的差分電路模塊及實現方法，該模塊具有不易損壞、易操作的特點，能夠為大專實驗教學課堂的流暢性提供幫助。

關鍵詞：電工實驗；差分模塊；PCB設計

中圖分類號：TN710.1文獻標識碼：A

Abstract：Thisarticleintroducesadifferentialcircuitmoduleanditsimplementationmethodsuitableforcollegeelectricalexperimentteaching.Themodulehasthecharacteristicsofbeingnoteasilydamagedandeasytooperate，andcanprovideassistanceforthesmoothnessofcollegeexperimentalteachingclassrooms.

Keywords： Electricalexperiment;Differentialmodule;PCBdesign

“電工技術及應用”是我校職業技術教育大專層次的專業任職基礎課程，是連接基礎課和裝備課的橋梁和紐帶，起著承上啟下、固本培元的作用。根據我校“崇德精技、逐夢天網”的辦學理念，培養適合部隊崗位的應用型人才是我校的基本人才培養要求。應用型人才的培養，既要重視理論教學，更要加強工程意識和實踐能力的培養。非電子類專業電工電子實驗主要由電工技術實驗和電子技術實驗兩方面組成[1]，我校全體大一學員均開設電工電子實驗。目的是提升學員的操作能力，切實提升動手技能，同時加強對理論內容的掌握。是電子類的核心實驗課程[2]。大專學員的理論基礎相對較為薄弱，在目前的實驗課程中經常因操作不當出現各種問題影響實驗效果，其中，用到差分電路的實驗發生實驗事故的概率很高。

差分電路是一種電子電路，可以將兩個輸入信號的差值放大并轉換為單一的輸出。差分信號通常表示為兩個輸入信號之間的電位差。在《電工技術及應用》中與《模擬電子技術及應用》的實驗課程中有著廣泛的應用。

一、應用背景

在目前的《電工技術及應用》實驗教學過程中，差分電路起著非常重要的作用。以RLC串聯實驗電路為例，如圖1所示。想在一個電路中同時測量電感、電容兩端電壓。若直接使用萬用表同時測量元器件兩端，則由于電容、電感、信號發生器共地端的不同且三個元器件相位不同。則會造成測量結果不準確等問題。所以需要使用差分電路提取待測元件兩端電壓，以提高信號的質量和穩定性。

常用的差分電路是以運算放大器為基礎，施加正負兩個電源，將運算放大器的Vin+與Vin-接在被測電路兩端。測量輸出電壓并得到結果。但是在實際教學過程中發現，由于大專學員理論基礎較為薄弱，且此時處于《電工技術及應用》課程早期，還沒有進行《模擬電子技術及應用》課程的學習。學員的認知水平欠缺，導致在搭建差分放大電路中經常出現問題。常見的問題有，對同相輸入端與反向輸入端的理解不到位，對于直流電源的使用操作不熟練等等。導致經常出現運放正負電源接錯、直流穩壓電壓設置有誤等問題，并且運算放大器元器件本身比較脆弱容易損壞，導致上課過程中經常發生元器件損壞事故，影響正常課堂進程和教學質量。

本文提出設計一款操作簡單，面向大專學員的差分電路模塊可以為學員搭建實驗電路降低難度，從而將注意力更多的放在本節課的重點關注內容上，提升實驗課堂效率。

二、設計思路

為了解決差分電路不夠便捷，電源連接復雜等問題，本文提出的差分模塊將整個差分電路簡化整合為一個電路模塊，盡量減少接口數量，并將雙電源輸入改為單電源輸入，降低學員操作難度。該模塊可以分為兩個部分如圖2所示，分別是電源供電部分和差分放大部分。

電源供電部分的主要功能是將正負雙電源輸入改為單電壓輸入。電源供電電路包括VRA_YMD_6WR3型號的電源模塊和濾波組件。在使用電源時，只需要輸入常用的12V電源，該電源模塊會自動將12V電源轉化為正負12V兩路電源并正確連接在運算放大器的Vin+與Vin-接口。濾波組件可以抑制諧波進入電路，使直流電輸入更加平滑。電源部分具有輸入欠壓保護，輸出過壓、過流、短路保護功能。可以有效的提高電路的穩定性和安全性，避免使用兩路直流電源，減少因電源操作不當造成的實驗事故。

差分放大部分的主要功能是進行元器件兩端電壓信號的采樣，并進行等倍放大。差分放大電路包括uA741型號的運算放大器和電阻組件。uA741在后續的《模擬電子技術及應用》與《數字電子技術及應用》課程中也都有使用，提前接觸可以使學員更快了解這一款最受歡迎的運算放大器。使用uA741和電阻元件可以連接構成差分放大電路。原理是將uA741構成反向放大器和同向放大器的兩種方法結合起來。電路圖如圖3所示。

當只考查Uin-的作用時，電路就是一個反相放大器，得到公式如下

當只考察Uin+的作用時，電路就是一個同相放大器，得到公式如下：

在Uin-和Uin+同時作用時，利用疊加定理可以得到公式如下：

從式中可得，當電阻值滿足R1=R2=R2=R4時，則可以得到此時輸出就等于兩輸入電壓之差。故取電阻為10kΩ，則可以實現將采樣電壓信號等倍放大的功能。

本模塊的外接接口全部采用直徑為2mm的金屬香蕉頭，與實驗課程中平時所使用的導線相匹配。

三、實現方法

首先使用仿真軟件對電路圖進行仿真，測試無誤后可以采用AltiumDesigner繪制PCB電路板[2]，并將所需元件焊接在電路板上。具體操作過程如下：

（一）創建PCB工程

新建一個PCB項目并命名，并將原理圖、PCB文件、原理圖庫與PCB元件庫都添加進該PCB項目的目錄下。

根據本差分模塊設計思路，列好所需要的元器件清單，在電子元件商城挑選好元器件并下載對應的數據手冊，將各元器件數據手冊中的原理圖和封裝圖分別放進原理圖庫和PCB元件庫中。

（二）繪制原理圖

從原理圖庫中將電路所需要的元器件按照個數復制進工程文件目錄下的原理圖中，這樣就可以確保真正購買使用的元器件尺寸大小與設計的PCB板相匹配。復制完畢后在原理圖中將各元件排布整齊，根據電路圖使用導線將各元件連接起來，要注意預留外接管腳。連線完成后核對各元器件的Value值，確保各元件的位號不同。

（三）PCB設計

完成原理圖的繪制后，在原理圖界面下點擊Design/UpdatePCB，自動生成PCB文件。PCB設計可以分為以下三個步驟

（1）規則設置，首先對布線層面、安全距離以及導線寬度等進行規則設置。由于本模塊電路結構較為簡單，所以使用40mm×70mm雙層板即可滿足需求。

（2）元件布局，設置完成后進行元件布局，在布局過程應注意，為了使本模塊使用方便，外接引腳應放置在PCB板四周。電源模塊在工作時會出現發熱，應放置在與其他元器件較遠的位置。

（3）布線，采用自動布線與手動布線相結合的方式，先利用軟件自動布線，再配合手動調整，以達到良好的布線效果。最后進行DRC檢查，確保PCB文件的可靠性。最終得到的PCB文件如圖4所示。

（四）PCB制版

在審核無誤后，進行PCB文件的制版，拿到PCB樣板后將采購的元器件焊接在PCB板上，就可以得到差分電路模塊如圖5所示。經過實際測試，發現該模塊可以在只使用一個+12V電源的情況下完成對電壓信號采樣并等倍放大的功能，滿足該模塊的設計使用要求，適用于現行實驗課程的教學。

結語

本文介紹了一種適用于大專《電工技術及應用》實驗課程教學的差分電路模塊設計原理和實現方法，在課程中使用本模塊后取得了良好的效果。與原有方式相比，本方式將以往的雙路電源改為單路電源供電，同時將差分電路集成在同一模塊上，使電路連接時不易出錯，從而降低實驗難度，突出了學生的主體地位，提高了課堂效率。同時本模塊能夠保護元器件避免損壞。增加了實驗的安全性。

參考文獻：

[1]文生.非電子類電工電子實驗模塊構建及考核標準[J].合肥學院學報（自然科學版），2007，17（1）：84-86.

[2]譚潔.基于“互聯網+”的電工電子實驗教學方法探索[J].物聯網技術，2023，13（3）：160-162.

[3]羅繼軍.AltiumDesigner在PCB板設計中的應用[J].科技展望，2016，26（29）：117-118.

作者簡介：王駿哲（1996—），男，漢族，河南洛陽人，本科，講師，研究方向：電子電路設計。