1. 引言
随着高等院校教学改革的持续深入,我校多门课程的学时被不同程度的压缩,以电工电子技术基础课程为例,学时数的缩减并没有降低对教学的要求,相反,对教学内容的深度与广度,学生的实践能力的培养要求却有增无减。针对目前我校电工电子技术课程特点和实验教学存在的弊端,我们将口袋实验室引入教学,实现课内外实验无缝衔接,有效的解决了学员实验时间、场所受限的问题,为学生提供了一个全天候、全自助的实验环境。
2. 传统实验教学存在的问题
2.1. 实验设备体积大,功能有限
目前,众多高校开设的电工电子实验主要依托实验箱,由于实验箱体积大,便携性差,实验时需要外接测量设备,且功能都是定制的,在很大程度上限制了学员自主设计电路,自主创新的需求。实验室又不能对学员随时开放,很多时候抑制了学员的实验激情,导致学员理论与实践严重脱节。
2.2. 学时少、内容多
电工电子技术实验包含电工实验和电子实验两个部分。目前我校只开设6个实验,分配12学时。学时少,内容多的矛盾日益凸显。实验过程中经常出现,一旦实验出错,学员没有足够的时间去分析检查原因。久而久之,造成学员不会检查电路,出现问题就只能全部拆掉,重新连线;基本谈不上创新意识和能力的培养。
2.3. 实验内容单一
实验内容上,更新较慢,且验证性实验多,综合性和设计性实验较少;学员课上基本都在按图接线,记录数据,没有给学生提供自主设计,独立思考的空间 [1]。
3. 口袋实验室的引入
口袋实验室是近年来提出的一种微实验平台,它将信号源、示波器等实验仪器微型化、程序化集成其中,做到体积小、重量轻,甚至可以放在口袋中而得名 [2]。由于口袋实验室具有丰富的软硬件资源,利用实验板上的各种设备通道,简单的连接就可以开展基本实验,通过不同的外设还可以进行功能扩展。操作简单、携带方便,深受学员欢迎。
我校目前采用的口袋实验室是EWB系列之EPI-EWB104。实验平台采用A5大小,28 cm * 19 cm,三条面包板实验区域+2条实验模块插槽;模拟输入带宽为1 MHz;实时采样率12位四通道5MSPS;模拟输出为三通道模拟信号输出;高速通道带宽1 MHz,双低速通道带宽60 KHz;虚拟电源采用三组固定电源输出±12 V,±5 V,3.3 V;选配外部±5 V至±15 V可调电源模块,±400 mA;万用表为集成3位半完整万用表功能包括交/直流电压和电流、电阻、电容测量;数字IO为12路独立数字输入和数字输出;SPI/12C/UART/PWM接口。十二合一仪器提供了多样化的教学和实验手段,为我们进行实践教学提供了条件和保障。我校电工电子教研室为学员提供口袋实验室及基本实验套件盒,并在原有实验课堂内容的基础上,更新实验内容 [3],见表1。
4. 基于口袋实验室的实践教学
口袋实验室的引入为学员随时随地自主实验提供了可能,也为电工电子技术课堂教学改革搭建了平台。它内置的信号源及虚拟测试仪器,使得教师可以在课堂教学中带着学生边学边做。下面以《直流稳压电源》为例,介绍口袋实验室在教学实践中的应用。任务要求:设计一个电路:实现220 V、50 Hz交流电到5 V直流电的转换 [4]。
直流稳压电源包含变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分 [5],如图1所示。电路连线图如图2所示。首先,变压器将220 V的交流电转换成符合设计需要的单向脉动直流电,本文采用的变压器的输出变压为12 V,功率为5 W。
Figure 1. Circuit diagram of DC regulated power supply
图1. 直流稳压电源电路图
整流电路通常采用单向桥式整流电路如图3所示,四个二极管轮流导通,在负载上得到单向脉动电压。分别测量空载、有载情况下,整流输出电压波形。图4(a)、图4(b)分别表示有载(RL = 1 k)及空载情况下口袋实验室虚拟示波器测得的波形。通过比较可以看出,负载不同对整流波形会有轻微影响。
Figure 3. Schematic diagram of rectifier circuit
图3. 整流电路原理图
由于桥式整流之后的输出电压,脉动成分比较大。因此,还需要加入一级滤波电路来减小脉动成分。通常情况,对于小功率场合,滤波电路一般采用电容滤波。分别测试负载不变的前提下,并联不同容值的电容的滤波效果。电路原理图及实测波形如图5、图6所示。通过实验发现同一负载下,滤波电容值越大,滤波效果越好。
Figure 5. Schematic diagram of rectifier filter circuit
图5. 整流滤波电路原理图
滤波电容不变的前提下,改变负载,再次观测滤波后的输出电压值及波形,如图7所示,其中图7(a)为负载1 KΩ时的滤波波形,此时输出电压为12.31 V;图7(b)为负载100 KΩ时的滤波波形,此时输出电压为17.9 V;图7(c)为空载时的滤波波形,此时输出电压为18.75 V。通过实测可知,负载的变化对于整流滤波电路的输出电压是有较大影响的,对同一负载来说,电容值越大,滤波效果越好;对同一电容来说,负载越大,滤波效果越好。
(a) (b) (c)
Figure 7. Effect diagram of capacitance filter with different loads
图7. 不同负载的电容滤波效果图
由于电容滤波之后的输出电压仍有波动,还需要再加入一级稳压电路,从而保证电网电压波动或负载变化时,都能输出稳定的直流电压。集成稳压器输出电压分为固定式和可调式两种器件。本实验需要输出固定5伏的直流电压。因此采用三端集成稳压器w7805来实现,完整电路如图1所示。
测量不同负载下稳压输出电压及波形,如图8所示,其中图8(a)为负载100 Ω时的稳压输出波形,此时输出电压为5 V;图8(b)为负载1 MΩ时的稳压输出波形,此时输出电压为5.01 V。可见,当负载发生变化时,通过稳压芯片w7805,输出电压基本维持不变。同时,改变交流电源有效值,测试电压,也会得出同样结论。
(a)(b)
Figure 8. Stabilized voltage waveform under different loads
图8. 不同负载下的稳压波形
5. 结论
本文以《直流稳压电源》为例,介绍了口袋实验室在电工电子技术教学实践中的应用。口袋实验室的引入,提高了课堂教学效率及学员动手实践的能力;为学员课后自主实践提供了平台;也为电工电子技术类课程的实践教学起到了很好的辅助作用。但是口袋实验室在使用的过程中,尤其是作为考核使用时,要注意检查是否接触可靠、学员是否能够熟练使用虚拟示波器等软件,无形之中培养了学员严谨的科学态度和解决问题的能力。
基金项目
2019年度吉林省高教科研课题(JGJX2019D278)。
参考文献
NOTES
*通讯作者。