火箭军工程大学基础部 任 静 刘 桢 于泽祥 李 娟

为了了解学生的综合能力，促进学生对实验仪器使用方法的掌握，加深对电路结构及各参数的理解，提高“识图”能力和“读图”能力，基于电路原理实验的内容，设计了“黑盒子”考核器，并应用于实践中。实践表明：“黑盒子”考核器的应用能促进学生对实验内容的掌握和对理论与实验之间关系的理解，为后面的电学类课程学习打下良好基础。

“三电”实验是理工科专业的必学科目，其中电路原理所涉及的电路结构相对简单，更加侧重于对电路的分析，电路原理实验也更侧重于实验现象的观测和分析。为了了解学生对实验的掌握情况，包括实验内容的融会贯通和实验仪器的灵活使用，在电路实验中，设计了一款“黑盒子”考核器来对学生进行考核。

这个考核器主要是综合考查学生对于相关知识点的掌握情况、仪器设备的使用情况、实验测量与理论分析的能力。同时，锻炼学生的逆向思维能力和综合实践能力。

图1 “黑盒子”考核器内部电路图

图2 第一阶段“黑盒子”考核器

1 考核器的功能

考核器是完全封装的，从外部仅能看到预留的测试点，测量人员可以通过测试点（含有无效测试点和等效测试点）来进行相关的静态测量和动态测量，从获取的测试数据来推导内部电路的具体结构和各元器件的参数大小。此考核器的内部电路主要涉及常见实验电路：（1）叠加原理与齐次定理验证实验；（2）RLC串联谐振实验；（3）元件阻抗特性测定实验（电感、电容，其中测电容阻抗特性的电路又可以看作是测量RC一阶电路响应测试实验），具体内部结构如图1所示。每种电路所采用的元器件大小都不一样，这样保证每个“黑盒子”都是不一样的。

2 考核器的设计过程

考核器设计经历了几个阶段，使之具备一定的特点，逐步完善其功能，提高它的实用性和适用性。

第一阶段：考核器完全封装，内部电路未知，所有“黑盒子”外观完全一样，只有信号源（电源）端口可以辨识，如图2所示。此时，需要先排除无效测试点，然后确定可用信号源端口并区分正负极。由于内部结构不清楚，需要从四种结构中一一查找，难度很大，需要较多时间来操作。

第二阶段：针对第一阶段设计的不足，对“黑盒子”考核器做了改进，主要有以下几个方面，即对四种电路做了区分（6个测试点是电容和电感的阻抗特性测定实验电路、8个测试点是叠加原理与齐次定理验证实验和RLC串联谐振实验），保证内部有电阻的阻值可直接测量得到，标示清楚信号源的正负极（红色正极、黑色负极），如图3所示。此时，电路的类型可以通过外观来确认，然后通过静态或者动态测量来判断内部电路的结构，减少了实验难度，提高了可操作性，确保有限时间内可完成考核内容。这里需要保证电阻阻值必须是可直接测量的，同时保证电感和电容器件不会影响对考核器中无效测试点和等效测试点的判断，这对于电感和电阻的选择有一定的要求。

图3 第二阶段“黑盒子”考核器

图4 第三阶段“黑盒子”考核器

第三阶段：保持考核器外观不变，主要是针对内部所采用的电阻、电容和电感器件做了调整，然后采用了器件可插拔的方式组装，为后期器件更换调整做准备，提高了可测量性。举例如图4所示。

3 考核器的应用范例

以6个测试点的黑盒子（B类）为例，黑盒子内置电路可以抽象为图3.1所示。R是串联的电阻，Z是待测元件（电感或电容）。

首先，利用万用表的通断测试来判断6个测试点中有效测试点的位置，排除无效测试点。然后，用万用表直接测量出串联电阻R的大小。在确定的输入点接入正弦波信号Ui，同时观测Ui和Ur的相位情况，根据电压、电流的超前、滞后的关系，判断黑盒子内Z的性质（电感或电容），也可以逐步增大输入信号的频率f，根据输出Ur的幅值随频率增大或减小的情况，来判断Z的性质。最后，根据测量出Ui和Ur的具体大小，计算出元件参数。

如果Z的性质已经判断出来为电容，也可以在输入点接入方波信号，用示波器观测Uc波形，如果输出为三角波或方波，调整方波信号的频率，如果输出为一阶响应曲线，根据或者找到特殊的时间t=τ，得到时间常数τ的大小，由τ=RC（R已测量得到）来推算出C的大小。

在这个实验过程中，涉及到了测量技术的应用、RLC元件的阻抗特性、矢量图（相量法）、一阶电路的响应、误差估计等理论知识，具有综合性和可研究性。

图5 B类黑盒子内部抽象电路

结语：“黑盒子”考核器的设计完全基于电路原理实验部分，电路结构相对简单；设计过程中，根据实际需求不断调整方案，最终用于电路原理实验考核中。通过随机抽取考题，限定时间内完成任务等方式，使得老师对学生的能力有了一个更清楚的了解，也让学生对于实验仪器的使用，电路结构的特点，实验现象与电路设计之间的关系有了更深的理解，为后面电学相关课程的学习打下良好的基础。