多功能電路模塊設計

0 前言

以《電路基礎》為代表的電類課程是高等職業院校中機械、電子、汽車類專業的核心基礎課程，由于此類課程原理抽象、內容繁雜、應用性很強，現在高等職業院校學生相對本科院校學生起點較低，接受理解能力稍差，雖然課程對應有實驗實訓，但實驗實訓設備教學模塊的完整性、操作過程的便捷性并不能讓學生真正意義上地接觸認識電路，電類課程在高等職業院校當下存在的學生難學、教師難教的問題日益突出。多功能教學電路模塊則將實際電路的構建分析設計貫穿在基礎核心專業課程的教學中，能從本質上解決學生學習中存在的問題。

多功能電路模塊是由印制電路板、電子元器件、信號源、電類儀表等構建成的多網孔的電路，電路設計中各支路預留插孔，可根據課堂教學進程的需要調整信號源類型，構建成不同的電路類型如單電源供電或者多電源供電的直流電路、交流電路，各支路串接電流表，并聯接電壓表，用以檢測各支路各元件的電路參數。多功能電路模塊具有信號源的可外接性、電路結構的可調整性，可以靈活地運用到高職高專院校機械類、電子類及汽車類的《電路基礎》課程的教學過程中，從而在不同的教學階段可以構建不同的項目進行教學，圍繞特定的項目，可以開展融“教、學、做”于一體的“理實一體化”教學模式。

同時多功能教學電路的構建和設計，讓學生能實物認識各類電子元器件，由易到難地構建和分析各類電路的結構和性能，實現在動手能力的提升中激發學生對學習的好奇與興趣，最終實現鍛煉和培養學生基本的檢測、分析和設計電路能力。

1 多功能教學電路設計方案

《電工電子技術》、《電路基礎》是高等職業院校電子類、通信類、機械類、汽車類第一學期的專業基礎課程，多功能教學電路模塊用于實景訓練學生對于電路課程中基本電子元件性能的具體認識、多網孔電路的焊接構建、電子儀表的操作使用、電路主要物理量的多環境監測、基本電路定律的實物驗證，以及各種電路分析方法如疊加定理、戴維南定理及諾頓定理的定量分析。

如圖1所示為一種多功能的教學電路裝置，包括基礎電路、信號源、儀器儀表等；該信號源包括直流電壓源、直流電流源、正弦交流電源或其它非正弦電源；基礎電路包括了五個排插和三個電阻R1、R2、R3；儀器儀表，可以為電流表、電壓表和示波器等。

2 多功能教學電路模塊的分析

圖2所示為一種多功能的教學電路模塊，由三個電阻和五個排插連接而成，從圖可看出，由于排插的合理分布，三個電阻相互獨立，排插接入導線后，可短路也可斷開，也可有效接入其它的儀器儀表或信號源。

2.1 基爾霍夫定律的測量分析

圖3所示為基礎電路接入了電源和儀表，具體是12、78排插分別接入電壓源u1和u2（直流電源或交流電均可），也可以接入的是電流源；34、56、910排插接入電流表分別是三條支路的支路電流，這里要注意的是，如果電源是直流源，則要考慮其接入的方向問題，一般來說電流都是從電流表的正接線柱流入，負接線柱流出，所以在連接電流表之前可先計算出電路的支路電流；這樣測試結果和計算結果可進行誤差計算，驗證基爾霍夫電流定理，即任意時刻，電路中的任一節點流入的各支路電流之和為零。

23、67、59之間接入電壓表，同樣如果是電源是直流源，同樣接入時要考慮電壓的方向問題，但是由于上述我們已經計算過電流大小，所以電壓表和電流表的接入方向一致；這樣整個電路的每個元器件的電壓測出，就可以驗證基爾霍夫電壓定理，即對任一回路來說，在任意時刻，沿著該回路的所有支路電壓代數和等于零。

如果12、34接入的是交流電源，則電壓表和電流表測試出來的結果是其有效值。我們從測量結果可分析得出，基爾霍夫定律也可用于交流電路。

2.2 疊加定理的測量分析

疊加定理的內容為：在線性電路中，任一條支路的電壓或電流都可以看成電路中各個獨立電源單獨作用時，在該支路產生的電壓或電流的代數和。圖3中，電壓源u1和u2共同作用。在圖3的基礎上，12可短路，78間u2單獨作用，其它不變，可以測量出u2單獨作用下的支路電流以及電阻的電壓；同理，78可短路，12間u1單獨作用，其它不變，可以測量出u1單獨作用下的支路電流以及電阻的電壓；這樣測量出來的結果疊加后與圖3中的結果應該相等，即驗證了疊加定理。

圖3中，也可為一電壓源和一電流源共同作用，要注意的是如果是電壓源單獨作用時，電流源應該短路處理。

2.3 戴維南定理及諾頓定理的測量分析

在圖3的基礎上，9、10排插斷開，即斷開電阻R3，如何用戴維南定理或諾頓定理來定量分析其電阻R3的電流和電壓呢？

戴維南定理指出：任何一個有源二端網絡，總可以用一個電壓源Us和一個電阻Rs串聯組成的實際電壓源來代替，其中：電壓源Us等于這個有源二端網絡的開路電壓Uoc，內阻Rs等于該網絡中所有獨立電源均置零（電壓源短接，電流源開路）后的等效電阻R0。

諾頓定理指出：任何一個有源二端網絡，總可以用一個電流源Is和一個電阻Rs并聯組成的實際電流源來代替，其中：電流源Is等于這個有源二端網絡的短路電流Isc，內阻Rs等于該網絡中所有獨立電源均置零(電壓源短接，電流源開路)后的等效電阻R0。

如圖3所示，9、10斷開后，58之間接入電壓表，即可測出開路電壓Uoc；如果58之間接入電流源，即可測出短路電流Isc。把12、78排插的電源去掉(去掉電壓源，則相當于短路；如果為電流源，則為斷路。)，58之間接入萬用表置于電阻檔，則可測出等效電阻R0。這樣就可以根據等效電路求解電阻R3的電流和電壓，結果可與圖3中所測R3得的電壓、電流相比較。

另外，如果12、78排插接入的是交流電，則34、56、910排插都可以單獨接入示波器，來觀察每條支路電流的大小和圖形；23、67、59也可以接入示波器，觀察每個電阻的電壓的大小和圖形。

3 結束語

由于此教學電路的完整性、操作過程的便捷性，學生可親自完成基礎電路的焊接工作，又可以親自在自己焊接好的電路上完成對原理的驗證，真正意義地接觸電路元器件和儀器儀表的使用。另外基礎電路具有結構簡單、實現成本較低的優點。

多功能教學電路模塊讓《電路基礎》課程的基礎部分不再停留于理論概念的講解，讓學生不再迷茫于公式的推導驗證和電路圖的分析過程，而是讓學生在實際操作的過程中邊學習邊操作，加深了對理論的知識的理解，同時也極大地激發了學生的求知欲，提高了學生的動手能力。