一种一阶电路过渡过程实验教学系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种一阶电路过渡过程实验教学系统和方法，该系统包括：客户端、服务器以及实验装置；其中，客户端用于向用户显示实验电路电路图、实验参数设定界面和数据表格；服务器用于根据客户端上传的实验电路类型和实验参数，计算出时间常数理论值和数据采集时间长度，并确定激励信号类型；实验装置与实验电路连接，用于在服务器的指令下，向实验电路输出指定的激励信号，并同时采集实验电路的响应波形数据，将采集的数据显示给用户，同时将采集的数据传输给服务器，由服务器传输给客户端进行显示。进行显示。进行显示。

【技术实现步骤摘要】
一种一阶电路过渡过程实验教学系统和方法


[0001]本专利技术涉及电工电子实验设备
，特别涉及一种一阶电路过渡过程实验教学系统和方法。

技术介绍

[0002]一阶电路过渡过程是高等院校电类专业学生《电路分析基础》课程的重要学习内容。所谓的一阶电路是指电路中只包含一个储能元件的电路，其对应的电路方程是一阶线性常微分方程，最典型的就是RC和RL电路。在《电路分析基础》课程中，经常研究的是一阶电路的零状态响应和零输入响应。
[0003]与一阶电路过渡过程理论课程配套的实验项目，目的是让学生搭建实际电路，将一阶电路的过渡过程响应波形显示在示波器上，通过波形测量电路的时间常数，并研究参数变化对一阶电路过渡过程的影响，让学生学会理论联系实际，实现知识的融会贯通。目前的一阶电路过渡过程实验项目由4个操作步骤组成，具体如下：
[0004]一、学生搭建电路。学生按照实验讲义或者教材给出的电路图连接好电路(RC或RL电路)，并接上示波器和信号发生器。信号发生器需要输出合适频率和幅度的方波信号，作为激励信号给一阶电路，示波器的两个通道同时观察一阶电路的激励信号和电容C上的电压信号(即一阶电路过渡过程的响应波形)。
[0005]二、学生调节示波器和信号发生器，使得示波器屏幕上显示出方波信号和电容C上的电压信号u
C
波形(即一阶电路的过渡过程响应波形)。
[0006]三、学生根据上面的一阶电路的过渡过程响应波形，测量出电路的时间常数，并与理论值进行比较。
[0007]四、改变元件参数值和电路结构，重复上面的实验过程，并将测量数据交由老师检查。
[0008]在目前现有的实验教学过程中，存在着以下问题：
[0009]1.操作复杂。为了得到上面的波形，学生需要同时接入信号发生器和示波器两种实验设备，并且需要根据电阻、电容元件的标称值，操作信号发生器输出频率、幅度都合适的方波信号(频率太小或者太大，都无法观察到上面的波形)，还需要操作示波器，将时基和电压挡位调节至合适值，才能将上面的波形完整、清晰、稳定的显示出来。整个过程对于初学电路理论知识、实际动手能力还较薄弱的学生来说，具有较大的操作难度，给学生的学习理解造成了较大的门槛。
[0010]2.实际波形与理论分析有区别。在理论分析时给一阶电路的激励信号是阶跃信号，但由于实际的信号发生器一般无法输出阶跃信号，只能输出周期性的方波信号，因此，激励信号会周期性地对电容进行充电和放电，这样就使得一阶电路的零状态响应和零输入响应波形不断交替出现，而不是像理论波形那样只显示单一响应过程，这给学生的学习过程造成了困扰，同样也加大了学习门槛。
[0011]3.学生操作过程难以得到有效监督。在实验过程中，需要让学生根据显示的响应
波形测量一阶电路的时间常数，并与时间常数的理论值进行对比，以此来对理论知识进行验证。然而，在现有的实验流程中，老师需要人工检查学生是否将波形正确的显示出来，并人工检查学生的测量数据是否正确，这无疑给老师增加了极大的教学工作量，使得老师疲于波形验证和数据检查的低级重复工作，没有更多时间来指导学生实验。而如果老师不检查学生的波形，只是检查学生的测量数据，那么又无法确保学生的数据是自己测量出来的，无法杜绝数据抄袭的现象从而确保教学质量。
[0012]因此，现有的一阶电路过渡过程实验教学方法存在较大问题，学生难以实现知识的消化吸收，难以将理论知识与实际现象融会贯通，教学效果不理想。

技术实现思路

[0013]本专利技术提供了一种一阶电路过渡过程实验教学系统和方法，以解决现有的一阶电路过渡过程实验教学方法所存在的学生难以实现知识的消化吸收，难以将理论知识与实际现象融会贯通，教学效果不理想的技术问题。
[0014]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0015]一方面，本专利技术提供了一种一阶电路过渡过程实验教学系统，所述一阶电路过渡过程实验教学系统包括客户端、服务器以及实验装置；其中，
[0016]所述客户端用于向用户显示实验电路电路图，接受用户的实验参数设定指令，并将实验电路类型和用户设定的实验参数上传至所述服务器，以及向用户显示数据表格；其中，所述实验参数包括电阻值、电容值、激励信号幅度和观察响应类型；实验电路类型为RC电路或RL电路；观察响应类型为零状态响应或零输入响应；所述数据表格中的数据包括时间常数理论值和时间常数测量值；
[0017]所述服务器用于根据所述客户端上传的实验电路类型和实验参数，自动计算出时间常数理论值，并由此计算出数据采集时间长度，以保证采集到完整的响应过程；并根据观察响应类型确定激励信号类型；然后将激励信号类型、激励信号幅度以及采集时间长度传输给所述实验装置；其中，所述激励信号类型为上升阶跃信号或下降阶跃信号；
[0018]所述实验装置与实验电路连接，用于在所述服务器的指令下，向实验电路输出指定的激励信号，并同时采集实验电路的响应波形数据，将采集的数据显示给用户，同时将采集的数据传输给服务器，由服务器传输给客户端进行显示。
[0019]进一步地，所述服务器还用于存储实验电路的电路图以及实验报告。
[0020]进一步地，所述客户端还用于在用户将时间常数理论值和时间常数测量值填入所述数据表格后，根据用户的提交数据指令，将用户填写的数据传给所述服务器；
[0021]在接受到所述客户端上传的用户填写的数据后，所述服务器还用于：自动对所述实验装置采集的波形数据进行分析，判断所述波形数据是否正确，以判断出学生的电路连接是否正确，并自动测量出所述波形数据的时间常数，得到时间常数自动测量值；所述服务器将时间常数自动测量值、用户填入的时间常数测量值与所述服务器自己计算的时间常数理论值进行对比；只有当三者在设定的误差范围内一致时，才认为用户操作正确，否则，只要有一方超出设定的误差范围，就认为用户操作有误，提醒用户重新接线操作或者重新测量时间常数；所述服务器还用于将用户填入的时间常数理论值与所述服务器自己计算的时间常数理论值相对比，以判断用户计算出的时间常数是否正确；并给出明确的提示，以告知
用户是哪里有误。
[0022]进一步地，所述提示的内容包括：响应波形不对，重新接线操作、时间常数测量值不对，重新测量，以及时间常数理论值不对，重新计算。
[0023]进一步地，所述实验装置包括通信模块、主控模块、激励源、数据采集模块和人机交互模块；
[0024]所述通信模块用于实现所述实验装置与所述服务器之间的通信；
[0025]所述主控模块用于控制所述实验装置中的各个模块；
[0026]所述激励源用于在所述主控模块的控制下，输出指定类型的激励信号；
[0027]所述数据采集模块用于在所述主控模块的控制下，根据设定的采集时间长度和信号的放大/衰减系数，自动采集到完整的实验电路过渡过程波形数据；
[0028]所述人机交互模块包括液晶屏、开关和旋钮；当所述数据采集模块采集完数据时，所述数据采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一阶电路过渡过程实验教学系统，其特征在于，所述一阶电路过渡过程实验教学系统包括：客户端、服务器以及实验装置；其中，所述客户端用于向用户显示实验电路电路图，接受用户的实验参数设定指令，并将实验电路类型和用户设定的实验参数上传至所述服务器，以及向用户显示数据表格；其中，所述实验参数包括电阻值、电容值、激励信号幅度和观察响应类型；实验电路类型为RC电路或RL电路；观察响应类型为零状态响应或零输入响应；所述数据表格中的数据包括时间常数理论值和时间常数测量值；所述服务器用于根据所述客户端上传的实验电路类型和实验参数，自动计算出时间常数理论值，并由此计算出数据采集时间长度，以保证采集到完整的响应过程；并根据观察响应类型确定激励信号类型；然后将激励信号类型、激励信号幅度以及采集时间长度传输给所述实验装置；其中，所述激励信号类型为上升阶跃信号或下降阶跃信号；所述实验装置与实验电路连接，用于在所述服务器的指令下，向实验电路输出指定的激励信号，并同时采集实验电路的响应波形数据，将采集的数据显示给用户，同时将采集的数据传输给服务器，由服务器传输给客户端进行显示。2.如权利要求1所述的一阶电路过渡过程实验教学系统，其特征在于，所述服务器还用于存储实验电路的电路图以及实验报告。3.如权利要求1所述的一阶电路过渡过程实验教学系统，其特征在于，所述客户端还用于在用户将时间常数理论值和时间常数测量值填入所述数据表格后，根据用户的提交数据指令，将用户填写的数据传给所述服务器；在接受到所述客户端上传的用户填写的数据后，所述服务器还用于：自动对所述实验装置采集的波形数据进行分析，判断所述波形数据是否正确，以判断出学生的电路连接是否正确，并自动测量出所述波形数据的时间常数，得到时间常数自动测量值；所述服务器将时间常数自动测量值、用户填入的时间常数测量值与所述服务器自己计算的时间常数理论值进行对比；只有当三者在设定的误差范围内一致时，才认为用户操作正确，否则，只要有一方超出设定的误差范围，就认为用户操作有误，提醒用户重新接线操作或者重新测量时间常数；所述服务器还用于将用户填入的时间常数理论值与所述服务器自己计算的时间常数理论值相对比，以判断用户计算出的时间常数是否正确；并给出明确的提示，以告知用户是哪里有误。4.如权利要求3所述的一阶电路过渡过程实验教学系统，其特征在于，所述提示的内容包括：响应波形不对，重新接线操作、时间常数测量值不对，重新测量，以及时间常数理论值不对，重新计算。5.如权利要求1所述的一阶电路过渡过程实验教学系统，其特征在于，所述实验装置包括通信模块、主控模块、激励源、数据采集模块和人机交互模块；所述通信模块用于实现所述实验装置与所述服务器之间的通信；所述主控模块用于控制所述实验装置中的各个模块；所述激励源用于在所述主控模块的控制下，输出指定类型的激励信号；所述数据采集模块用于在所述主控模块的控制下，根据设定的采集时间长度和信号的放大/衰减系数，自动采集到完整的实验电路过渡过程波形数据；所述人机交互模块包括液晶屏、开关和旋钮；当所述数据采集模块采集完数据时，所述
数据采集模块采集到的数据会在所述液晶屏上即时显示，用户通过操作所述旋钮来移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯涛，李春雷，于得水，周爽，李云佳赟，袁文霞，史雪飞，李哲，蔺凤琴，万春秋，李擎，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：