基于模块化设计的测控电路实训平台应用研究
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摘 要
在现有的测控电路学科教学基础上，为提高学生自己设计电路的能力，考虑到实用方便的需求，建立一套模块化并且导线连接方式为接插式的测控电路综合实训平台。教学实践表明，该测控电路综合实训平台的建立，在很大程度上促进了学生对测控电路相关知识的理解和学习，增强学生的学习兴趣，提高学习效率，为测控电路学科的实践教学提供了新的学习方法，既弥补了常用PCB电路板功能过于单一的缺点，也弥补了操作不便的不足。
关键词
测控电路;综合实训平台;模块化;接插
中图分类号： G642;TN70-4 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.005
0 前言
近年来，随着全球人工智能技术和自动化水平的迅速提高，测控技术成为一门火热的学科，而测控电路的学习对其有直接的影响。
测控电路作为测控技术学习的核心，其水平的高低直接影响一个测控系统的检测精度和速度。现在高校中对于测控电路的教学，主要是分为书本上的理论学习和学生的动手实践，而绝大多数学生都是理论掌握得不错，但是却没有自己动手设计电路的能力，这与实验设备和方法的不当有直接关系。
本文针对学生设计测控电路能力薄弱的问题，提出一种基于模块化设计的测控电路综合实训平台，学生可以自己动手设计调试测电路，并且整个平台采用接插式的元器件连接方式，操作方便快捷，不再采用传统的焊接方式，。模块化设计的测控电路综合实训平台的使用，大大改善了教学效果，提高了学生的创新能力和动手操作能力。
1 实训平台的设计背景及意义
目前，国内绝大部分高校对于测控电路学科的教学，除了课上基础理论的教学，为了增强学生的动手实践能力，都已经加上了实践课。但是，实践课的内容都是采用较为传统的方式，即给学生提供没有焊接元器件的PCB电路板和相关原理图，学生只要按照原理图将元器件一一焊接完成即完成实践课的教学内容。这种方法存在很明显的弊端，很大一部分学生只负责焊接元器件，并没有真正理解电路的本质和作用，并且焊接的时候存在一定的安全隐患。
基于模块化设计的测控电路实训平台的搭建和使用，完全颠覆了以往的测控电路实践课的教学方式，为了提高学生对于测控电路的设计能力，不再使用固定功能的电路板供学生焊接元器件，而是以输入输出模块和集成运算模块两个模块为学习核心，学生可以根据需要自主选择两个模块的使用数量，给学生最大的自由发挥空间;并且两个模块都采用锁紧座的方式，可以自由更换芯片和电容电阻等元器件，大大提高了学习效率。这种方式采用，不仅深入贯彻了工程教育专业认证的理念，而且为学生毕业后的就业大大增加了竞争优势。
2 模块化设计
本测控电路综合实训平台的搭建，由两种模块组成，其分别为输入输出模块和集成运算模块。两个模块功能不同，但是却能够相辅相成，可以完成绝大多数测控电路的搭建和调试，并且所有的线路连接都采用插拔式的实驗线进行连接，方便快捷。
2.1 输入输出模块
输入输出模块，顾名思义，即承担电路的信号输入和信号输出的责任，如图1所示。每一个输入输出模块都提供一个电源的接线端子，虽然只有一个接线端子，但是模块内部将每个电源线都分成了四个串联的接线口。因此，每一个输入输出模块都可以提供十二条电源的接线口，完全可以满足需求。另外，每一个模块还提供了五个三管脚的接线端子，共十五个管脚供传感器等信号的输入和电信号的输出，实现功能的多元化。
2.2 集成运算模块
集成运算模块，其主要承担了电信号的处理和集成运算的功能，如图2所示。每一个集成运算模块都包含两个16P锁紧座，如图2中所示，每个锁紧座都可以安装不同的芯片、电阻、电容等元器件，随时更换无须反复使用焊枪进行焊接，节约资源降低了实验成本，并且更换元器件不会对电路板和元器件造成任何损坏，可以重复可持续利用。另外模块还提供了三管脚的接线端，可以供滑动变阻器和三极管等三管脚元器件使用，大大丰富了模块的功能。
图1 输入输出模块
综上所述，基于模块化设计的测控电路综合实训平台的设计和使用，以提高学生的自主设计电路能力为目标，以低成本、可循环使用和操作方便为设计原则和理念，大大改善了测控电路学科的教学效果。
图2 集成运算模块
3 实训平台教学应用实例
本文设计的基于模块化设计的测控电路综合实训平台在2018年和2019年本科生教学中得到了应用。学生可以通过先关参数计算，分析电路，自己动手操作设计搭建出完整的光电检测的测控电路。
整个电路大概分为以下几个模块：信号调制、I/V变换、高通滤波、信号解调和信号放大，电路系统流程图如图3所示，整个电路由±12V开关电源供电，首先由NE555和CD4013芯片产生提供一定频率的方波作为载波信号对发光二极管进行调制，学生们使用示波器对信号进行采集，如图4所示。
图3 电路系统流程图
图4 载波信号
本实验选用硅光电池作为光电转换器件，由于硅光电池为电流输出，学生自己设计分析I/V变换电路，并且根据公式1计算截止频率，设计出高通滤波电路，进而排除外界干扰光的影响，实验效果比较理想。
ωc=1/Rc（1）
学生可以自己分析测控电路课上讲解的多种解调方式，自主选择其中一种对信号进行解调，并且深入分析计算各个电阻电容值，将待测直流电压信号从调制信号中解调出来，并非机械化按照原理图进行元器件的连接，极大程度地锻炼了学生的电路分析设计能力。
最后信号放大模块更是给学生绝对的发挥空间，部分学生选择如图5所示的同向放大电路，并根据公式2计算放大倍数，另外部分同学选择如图6所示的反向放大电路，并根据公式3计算放大倍数，其中不仅仅要考虑到电阻值的选择，还要考虑到是否超过供电电压，这不但锻炼了学生的电路设计能力，也培养了学生全面思考问题的习惯。
图5 同向放大电路
k=1+（2）
图6 反向放大电路
K=-（3）
4 总结
基于多年的测控电路学科教学经验，为改善教学效果，设计一个基于模块化的测控电路综合实训平台。近两年来，在测控电路课程中展开应用，取得了良好的教学效果，涌现出多名优秀学生，得到了绝大多数学生的肯定与支持，课堂气氛热烈，能够启发学生进行深度思考。新的实验平台以学生为中心，锻炼学生的自主设计能力，也为毕业以后的就业增添筹码，提高自己的竞争力。
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