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模擬電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗箱開(kāi)發(fā)論文
電子電路是計算機、通信與自動(dòng)化等系統的硬件基礎，與工業(yè)生產(chǎn)和日常生活息息相關(guān)。隨著(zhù)現代電子工程的發(fā)展，電路系統的復雜程度越來(lái)越高，系統規模越來(lái)越大，對電路系統的故障模擬技術(shù)與可靠性提出了更高要求。一旦電子電路發(fā)生故障，系統將無(wú)法正常工作。除了電路分析與電路設計，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(diǎn)。電路故障模擬與診斷技術(shù)不但能夠進(jìn)行故障定位和故障排除，還能指導電路系統的設計與生產(chǎn)，幫助改進(jìn)電路系統生產(chǎn)工藝與設計，從而全面保證電路系統的質(zhì)量和性能。電子電路系統往往是由模擬電路與數字電路共同組成的綜合系統。有資料表明，雖然模擬電路在所有電路系統中僅占15%左右，但是由模擬電路故障導致的電路系統故障高達80%，模擬電路故障率高發(fā)降低了電路系統的整體可靠性。例如電阻是電路系統的最常用元件，但是電阻在電路工作時(shí)會(huì )發(fā)熱，容易出現阻值變化或燒毀等故障。電容由于老化或電解質(zhì)泄漏而導致電容值下降或鼓包等故障。由于模擬電路在電路系統中具有不可替代性，模擬放大電路與模擬電源是所有電路系統必不可少的組成單元，模擬電路的安全性與穩定性對電子電路系統可靠性起著(zhù)至關(guān)重要的作用，對模擬電子技術(shù)故障模擬技術(shù)進(jìn)行深入研究很有必要。
一、模擬電路故障模擬實(shí)驗箱的要求
北京交通大學(xué)自2007年開(kāi)始，遵循“興趣驅動(dòng)、自主實(shí)驗、重在過(guò)程”的原則，培養大學(xué)生的創(chuàng )新意識、實(shí)踐能力和團隊精神，調動(dòng)大學(xué)生學(xué)習的創(chuàng )造性和主動(dòng)性，進(jìn)行以解決問(wèn)題為核心、以科研課題為依托的大學(xué)生創(chuàng )新性實(shí)驗計劃�！澳M電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗箱的開(kāi)發(fā)”作為一個(gè)北京交通大學(xué)大學(xué)生創(chuàng )新性實(shí)驗計劃題目，依托指導教師的科學(xué)研究課題，開(kāi)展了模擬電路故障模擬與診斷技術(shù)的研究。本實(shí)驗課題需要學(xué)生掌握電路設計、PCB、系統焊接與調試、機械制作等多領(lǐng)域知識。實(shí)驗題目需要利用的資源包括計算機、PCB設計軟件、示波器、信號源、焊接工作臺、直流電源、鉆孔機、模擬電路實(shí)驗箱等�！澳M電子技術(shù)故障模擬實(shí)驗箱的開(kāi)發(fā)”題目要求如下：制作一個(gè)教學(xué)和科研均可使用的模擬電路故障模擬實(shí)驗箱，實(shí)驗箱附帶方便插拔的常見(jiàn)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(shí)驗箱直流穩壓電源（+12V、-12V、+5V）和波形發(fā)生器。模擬電路板插入實(shí)驗箱后，借助實(shí)驗箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動(dòng)實(shí)現電路板的供電連接與信號輸入（若電路板需要特殊信號，可以在電路板預留插口以方便外接信號源）。每個(gè)模擬電路板選取最容易發(fā)生故障的元件進(jìn)行故障模擬，使用者能夠自由選擇電路板和故障類(lèi)型（可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)控制故障元件）。每個(gè)電路板預留幾個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)插口，以供外接示波器或其他測量?jì)x器觀(guān)察故障信息。要求實(shí)驗箱實(shí)物外觀(guān)精致，具有較強的實(shí)用性，能夠達到教學(xué)、科研和展覽等要求。該實(shí)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(dòng)實(shí)現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(lèi)型。
二、模擬電路故障模擬實(shí)驗箱的制作
模擬電路故障模擬實(shí)驗箱的外殼選用中小型實(shí)驗箱，然后自己進(jìn)行改裝，需要鉆孔、安裝其他部件、噴涂文字標識等。實(shí)驗箱附帶幾塊方便插拔的常見(jiàn)模擬電路板，實(shí)驗板可以是模擬電路教學(xué)或研究中經(jīng)常使用的常見(jiàn)模擬電路。實(shí)驗箱直流電源使用220V交流電，內部直流電源將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(shí)驗箱可以根據需求制作波形發(fā)生器。模擬電路故障模擬實(shí)驗箱在四個(gè)角預留可以插入模擬電路板的插槽，需要精心設計實(shí)驗箱的固定插孔和電路板的固定腳，從而實(shí)現模擬電路板的靈活插拔。實(shí)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(shí)驗箱后，通過(guò)實(shí)驗箱的固定插槽和電路板的固定腳，自動(dòng)實(shí)現電路板的供電連接或信號輸入。如果模擬電路比較特殊，也可以根據需要在模擬電路板上設計電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)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致無(wú)法正常模擬采集數據，每個(gè)模擬電路板只選取幾個(gè)容易發(fā)生故障的元件進(jìn)行故障模擬，故障元件可以根據理論、仿真和實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行選擇。每個(gè)故障元件可以模擬多種故障。例如電阻可能出現阻值下降、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(lèi)型，并使用外接儀器測量模擬電路的關(guān)鍵節點(diǎn)數據（節點(diǎn)電壓、信號頻率和波形質(zhì)量等）。每個(gè)電路板預留幾個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)插口，以供外接示波器和其他儀器觀(guān)察故障信息。關(guān)鍵節點(diǎn)的選取需要經(jīng)過(guò)理論推導和實(shí)驗驗證，保證這些節點(diǎn)的信息能夠直接反映模擬電路的工作狀態(tài)[8]。關(guān)鍵節點(diǎn)的數量需要不多不少，數量太多會(huì )導致數據量龐大，增加后來(lái)的故障診斷難度；關(guān)鍵節點(diǎn)太少會(huì )導致無(wú)法為故障診斷提供足夠的信息。模擬電路板由PCB設計完成，然后改裝與實(shí)驗箱匹配。
三、結束語(yǔ)
最終模擬電路故障模擬實(shí)驗箱的制作完成了設計要求，實(shí)驗箱實(shí)物外觀(guān)精美，內部構造完整，具有較強的實(shí)用性和工程性，能夠達到模擬電子技術(shù)理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)的要求，達到了大學(xué)生創(chuàng )新性實(shí)驗計劃項目的實(shí)施效果。創(chuàng )新實(shí)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)習的積極性和動(dòng)手能力，在項目實(shí)踐過(guò)程中逐漸學(xué)會(huì )了思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，小組成員得到了科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng )造的基本訓練。
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