CN113920831A - 节点式定制化线路切换实验板及使用其进行实验教学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种节点式定制化线路切换实验板及使用其进行实验教学方法，采用继电器作为线路切换开关，以节点连接的形式定制实验电路，包括切换开关、每个切换开关两端对应有扩充电路节点、电路节点、元器件固定连接单元，每一个节点至少与其他两个节点之间间隔一个元器件固定连接单元；每个扩充电路节点通过一个元器件固定连接单元与一个电路节点连接。实验板多个节点普遍适应各种电路连接，并通过切换开关对线路进行切换，方面实现电路参数和线路的调整。提高通用性。教师便于将线下实验电路快速实现线上远程化演示，观察记录数据；节点式定制化线路切换实验板能够适应很多种实验电路，适应性强；学生能够以此学习电路中最重要的节点概念。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子线路技术，特别涉及一种普遍适应性的节点式定制化线路切换实验板。
背景技术
深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合。实验教学项目作为高校开展实验教学的基本单元，其建设水平直接决定实验教学的整体质量。开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。
对于电路不太复杂的远程实验，线路切换是常用手段。然而，对于不同的实验都单独设计一块实验板卡，一来非常耗费教师的精力，二来制作实验板卡也耗费时间和资金。那么，一种通用型的节点式定制化的线路切换实验板就很有必要。且还能够让学生去学习节点的电路分析方法。
发明内容
针对适应电路课程实验远程教学的问题，提出了一种节点式定制化线路切换实验板，采用继电器作为线路切换模块，以节点连接的形式定制实验电路。为实验课程远程操作的、Web远程的、节点式的、定制化的、用于《电路基础》课程的线路切换实验板。
本发明的技术方案为：一种节点式定制化线路切换实验板，包括是数个切换开关、数个电路节点、每个切换开关两端对应有扩充电路节点以及元器件固定连接单元，每一个节点至少与其他两个节点之间间隔一个元器件固定连接单元；每个扩充电路节点通过一个元器件固定连接单元与一个电路节点连接。
优选的，所述扩充电路节点和电路节点均由数个电路布线标准脚距的通孔或排插组成，每个节点上的所有通孔焊盘或排插均连通，作为同一节点的多个连接点，用于电路连接。
优选的，所述连接点都能够接插公头、母头或/和香蕉头。
优选的，所述每个电路节点至少与三个元器件固定连接单元连接。
优选的，所述元器件固定连接单元为用于贴片元器件的焊盘或用于直插式引脚元器件焊接的焊接孔。
优选的，所述切换开关为继电器模块。
一种使用节点式定制化线路切换实验板进行实验教学方法，设计标准电路的参数切换电路，在节点式定制化线路切换实验板连接电路，信号源和每个测试器件对应接一个电路节点，按参数切换电路在切换开关对应元器件固定连接单元上焊接元器件，将切换测试点与对应的测试器件电路节点连接，完成参数切换电路连接后，打开信号源和测试器件，按分别接本地实验时，控制继电器模块导通或关断来切换线路，进行标准电路特征演示。
进一步，本地实验时，控制电路控制继电器模块导通或关断来切换线路；远程实验时，通过远程DIO控制继电器模块导通或关断来切换线路。
一种使用节点式定制化线路切换实验板进行实验教学方法，在所述节点式定制化线路切换实验板上连接标准电路，学生根据实物电路画出对应的电路连接图，清楚切换线路作用后，以此开展实验。
本发明的有益效果在于：本发明节点式定制化线路切换实验板，教师便于将线下实验电路快速实现线上远程化；节点式定制化线路切换实验板能够适应很多种实验电路，适应性强；学生能够以此学习电路中最重要的节点概念；节点和元器件之间连接紧实有效，实验现象稳定且显著，便于观察记录数据。
附图说明
图1为本发明节点式定制化线路切换实验板正面示意图；
图2为本发明节点式定制化线路切换实验板反面线路图；
图3为本发明RLC实验的第一种连接方式电路图；
图4为本发明RLC实验的第二种连接方式电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2所示节点式定制化线路切换实验板正面和反面图，实施例具体为：四开关八节点线路切换实验板，包括：四个继电器切换开关S1～S4、八个电路节点，四个继电器切换开关S1～S4两端对应扩充电路节点为：1A、1B；2A、2B；3A、3B；4A、4B。如图2所示，节点1A和节点1B分别接继电器切换开关S1的两个触点上。八个电路节点为：A、B、C、D、E、F、G、H，节点A与开关节点1A、2A、3A、4A分别间隔一个元器件，节点B与开关节点1B、2B、3B、4B分别间隔一个元器件固定连接单元，节点A与节点H、节点C分别间隔一个元器件固定连接单元，节点B与节点H、节点G分别间隔一个元器件固定连接单元，节点C与节点A、节点D、节点E分别间隔一个元器件固定连接单元，节点D与节点C、节点E、节点H分别间隔一个元器件固定连接单元，节点E与节点C、节点D、节点F、节点G分别间隔一个元器件固定连接单元，节点F与节点E、节点G、节点H分别间隔一个元器件，节点G与节点E、节点F、节点B分别间隔一个元器件固定连接单元，节点H与节点A、节点B、节点D、节点F分别间隔一个元器件固定连接单元。
每一个电路节点至少与其他两个电路节点之间间隔一个元器件固定连接单元；任何两个电路节点之间至多再搭接一个电路节点，就能够通过间隔的元器件固定连接单元相连。
元器件固定连接单元为用于贴片元器件的焊盘，或用于直插式引脚元器件焊接的焊接孔。
每一个切换开关两端对应扩充电路节点和电路节点均由数个电路布线标准脚距的通孔或排插组成，每个节点上的所有通孔焊盘或排插均连通，作为同一节点的多个连接点，用于电路连接。连接点都能够接插公头、母头或/和香蕉头。
每个电路节点至少与三个元器件焊接位或元器件接插位连接。每个扩充电路节点通过一个元器件焊接位或元器件接插位与一个电路节点连接。
要求学生根据线路切换实验板的实际电路图画出整个电路的连接方式，明确节点，以此开展实验。
本地实验时，控制继电器导通或关断来切换电路。远程实验时，通过远程DIO(远程IO模块)控制继电器导通或关断来切换电路。
如图3所示，RLC实验的第一种连接方式，连接方式为：电阻串联、电容并联、电感并联。节点A与切换节点1A之间连接电阻R1，切换节点1A与1B之间连接电阻R2，切换节点1B与节点B连接，节点B与节点G之间连接电容C1，节点B与切换节点2B之间连接电容C2，切换节点2A与节点G连接，节点G与节点F之间连接电感L1，切换节点2A与切换节点3A之间连接电感L2，切换节点4A与切换节点2A连接，切换节点4B与切换节点3B、节点F连接。
实验时，节点F连接示波器探头CH1和信号发生器CH1，节点G连接示波器探头CH2，节点B连接示波器探头CH3，节点A连接地GND。开关切换低电平有效导通、高电平关断，开关S1实验时通过DIO-0端口切换，开关S2实验时通过DIO-1端口切换，开关S3实验时通过DIO-2端口切换，开关S4实验时通过DIO-3端口切换。
电阻串联方式，开关S1并列在电阻R2两端，电阻R1接地GND与电阻R2一端，电阻值通过开关S1切换，开关S1导通，旁路电阻R2获得电阻值R1，开关S1关断，两电阻串联获得R1+R2电阻值，R1取200Ω，R2取10kΩ，电阻取值为200Ω或10.2kΩ。电容并联方式，通过开关S2切换，电容得到两种容值，C1和C1+C2，C1取47nF，C2取47nF，电容容值为47nF或94nF。电感并联方式，通过与电感L2串联的开关S3和与电感L2并联的S4切换，电感得到三种量值，L1取10mH，L2取10mH，电感量值为0、5mH、10mH。
如图4所示，RLC实验的第二种连接方式，连接方式为：电阻串联、电容并联、电感串联。节点A与切换节点1A之间连接电阻R1，切换节点1A与1B之间连接电阻R2，切换节点1B与节点B连接，节点B与节点H之间连接电容C1，节点B与切换节点2B之间连接电容C2，切换节点2A与节点H连接，切换节点3A与切换节点3B之间连接电感L2，切换节点2A、切换节点3A、切换节点4A连接，切换节点3B与切换节点4B之间连接电感L1，切换节点4B与节点F连接。
实验时，节点F连接示波器探头CH1和信号发生器CH1，节点H连接示波器探头CH2，节点B连接示波器探头CH3，节点A连接地GND。开关切换低电平有效导通、高电平关断，开关S1实验时通过DIO-0端口切换，开关S2实验时通过DIO-1端口切换，开关S3实验时通过DIO-2端口切换，开关S4实验时通过DIO-3端口切换。
电阻串联方式，电阻通过开关S1切换，电阻得到两种阻值，R1和R1+R2，R1取200Ω，R2取10kΩ，电阻取值为200Ω或10.2kΩ。电容并联方式，通过开关S2切换，电容得到两种容值，C1和C1+C2，C1取47nF，C2取47nF，电容容值为47nF或94nF。电感串联方式，通过开关S3和S4切换，电感得到三种量值，L1取10mH，L2取10mH，电感量值为0、10mH、20mH。
如图4所示的实验电路，第一个开展RC电路频域特性研究实验，DIO-3低电平S4导通，电感量为0，DIO-0高电平断开，电阻值为10.2kΩ，电容量通过控制选择47nF或94nF，节点F接入信号CH1选择方波、占空比50％、幅度值U为10Vpp、频率选择1kHz；频率选择以信号发生器发出的波形不失真为基准，且电容两端电压能够达到幅度值U。
观察波形，示波器探头CH1观察给定方波，示波器探头CH2观察节点H处的电压波形，示波器探头CH3观察节点B处电阻的电压波形，CH2-CH3为电容两端电压波形；RC电路频域特性，时间常数τ为RC，测量电容电压从0上升到63.2％幅度值U所需时间τ1，电容电压从幅度值U下降到36.8％幅度值U所需的时间τ1。
进行三种实验，分别为：R＝10.2kΩ、C＝47nF；R＝10.2kΩ、C＝94nF；R＝200Ω、C＝94nF；求解三组实验的上升时间常数和下降时间常数；并求出时间常数理论值与测量值的误差，并分析产生误差值的原因；将三组实验电容电压波形绘制在一张波形图上，比较分析RC充放电时间与电阻、电容参数的关系。
如图4所示的实验电路，第二个开展RLC串联电路幅频特性和谐振现象实验，DIO-3高电平S4导通，电感量不为0，电阻不能太大，DIO-0低电平有效S1导通，电阻R＝200Ω，电容选择值为47nF或94nF，电感选择值为10mH或20mH。
给出第一种实验参数，电阻为200Ω、DIO-1高电平S2断开电容为47nF、DIO-2低电平S3导通电感为10mH，计算理论谐振频率为7.34kHz，节点F接入信号CH1选择正弦波、幅度值U为10Vpp、频率选择7.34kHz；7kHz-7.7kHz调整频率找到电阻两端电压与输入正弦波波形同相位且幅值相近的频率点，该频率就是电容电感的谐振频率，记录此刻电阻电压谐振点有效值、电容电压谐振点有效值、电感电压谐振点有效值；从谐振频率向两个方向调整找到电阻电压幅值为输入电压幅值0.707倍时的两个转折频率记录下来。
给出第二种实验参数，电阻为200Ω、DIO-1低电平S2导通电容为94nF、DIO-2低电平S3导通电感为10mH，计算理论谐振频率为5.19kHz，节点F接入信号CH1选择正弦波、幅度值U为10Vpp、频率选择5.19kHz；5kHz-5.4kHz调整频率找到电阻两端电压与输入正弦波波形同相位且幅值相近的频率点，该频率就是电容电感的谐振频率，记录此刻电阻电压谐振点有效值、电容电压谐振点有效值、电感电压谐振点有效值；从谐振频率向两个方向调整找到电阻电压幅值为输入电压幅值0.707倍时的两个转折频率记录下来。
给出第三种实验参数，电阻为200Ω、DIO-1低电平S2导通电容为94nF、DIO-2高电平S3断开电感为20mH，计算理论谐振频率为3.67kHz，节点F接入信号CH1选择正弦波、幅度值U为10Vpp、频率选择3.67kHz；3.5kHz-3.8kHz调整频率找到电阻两端电压与输入正弦波波形同相位且幅值相近的频率点，该频率就是电容电感的谐振频率，记录此刻电阻电压谐振点有效值、电容电压谐振点有效值、电感电压谐振点有效值；从谐振频率向两个方向调整找到电阻电压幅值为输入电压幅值0.707倍时的两个转折频率记录下来。
如图4所示的实验电路，第三个开展RLC电路过渡过程实验，节点F接入信号CH1选择方波、幅度值U为10Vpp、频率选择500Hz；电感10mH、电容47nF，2Sqrt(L/C)为922.5Ω；电感20mH、电容47nF，2Sqrt(L/C)为1300Ω；电感10mH、电容94nF，2Sqrt(L/C)为652Ω。
当电阻R小于2Sqrt(L/C)，过渡过程中的电压、电流具有衰减振荡特点；当电阻R大于2Sqrt(L/C)，过渡过程中的电压、电流具有非周期特点；电阻R取200Ω时，电感选择10mH或20mH、电容选择47nF或94nF，电压、电流都具有衰减振荡特点，切换观察，电感越小、电容越大，振荡衰减的特性就越明显。
节点式定制化线路切换实验板除了可用于上述通过切换控制各种标准电路中的电路阐述演示电路特征，便于直观教学外，还可锻炼学生对电路的识别。一种在实验板中搭建好电路，然后学生根据实物电路画出对应的电路连接图，清楚切换节点、电路节点，以此开展实验。另一种，给出明确的切换元器件的要求，确定切换节点，学生依次标注电路节点，将标注的切换节点或电路节点之间的元器件放置在元器件固定连接单元，连接电路后进行实验。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种节点式定制化线路切换实验板，其特征在于，包括是数个切换开关、数个电路节点、每个切换开关两端对应有扩充电路节点以及元器件固定连接单元，每一个节点至少与其他两个节点之间间隔一个元器件固定连接单元；每个扩充电路节点通过一个元器件固定连接单元与一个电路节点连接。
2.根据权利要求1所述节点式定制化线路切换实验板，其特征在于，所述扩充电路节点和电路节点均由数个电路布线标准脚距的通孔或排插组成，每个节点上的所有通孔焊盘或排插均连通，作为同一节点的多个连接点，用于电路连接。
3.根据权利要求2所述节点式定制化线路切换实验板，其特征在于，所述连接点都能够接插公头、母头或/和香蕉头。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述节点式定制化线路切换实验板，其特征在于，所述每个电路节点至少与三个元器件固定连接单元连接。
5.根据权利要求4所述节点式定制化线路切换实验板，其特征在于，所述元器件固定连接单元为用于贴片元器件的焊盘或用于直插式引脚元器件焊接的焊接孔。
6.根据权利要求5所述节点式定制化线路切换实验板，其特征在于，所述切换开关为继电器模块。
7.一种使用节点式定制化线路切换实验板进行实验教学方法，包括权利要求5所述节点式定制化线路切换实验板，其特征在于，设计标准电路的参数切换电路，在节点式定制化线路切换实验板连接电路，信号源和每个测试器件对应接一个电路节点，按参数切换电路在切换开关对应元器件固定连接单元上焊接元器件，将切换测试点与对应的测试器件电路节点连接，完成参数切换电路连接后，打开信号源和测试器件，按分别接本地实验时，控制继电器模块导通或关断来切换线路，进行标准电路特征演示。
8.根据权利要求7所述使用节点式定制化线路切换实验板进行实验教学方法，其特征在于，本地实验时，控制电路控制继电器模块导通或关断来切换线路；远程实验时，通过远程DIO控制继电器模块导通或关断来切换线路。
9.一种使用节点式定制化线路切换实验板进行实验教学方法，其特征在于，在所述节点式定制化线路切换实验板上连接标准电路，学生根据实物电路画出对应的电路连接图，清楚切换线路作用后，以此开展实验。
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