一种一阶电路过渡过程实验教学系统和方法

1.本发明涉及电工电子实验设备技术领域，特别涉及一种一阶电路过渡过程实验教学系统和方法。


背景技术：

2.一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。
3.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：
4.一、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)。
5.二、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uc波形(即一阶电路的过渡过程响应波形)。
6.三、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。
7.四、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。
8.在目前现有的实验教学过程中，存在着以下问题：
9.1.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。
10.2.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。
11.3.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。
12.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。


技术实现要素：

13.本发明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。
14.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
15.一方面，本发明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，
16.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；
17.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；
18.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。
19.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。
20.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；
21.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。
22.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。
23.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；
24.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；
25.所述主控模块用于控制所述实验装置中的各个模块；
26.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；
27.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；
28.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光标，以测量时间常数。
29.进一步地，所述数据采集模块包括定时单元、高速采集电路以及放大/衰减单元；其中，
30.所述定时单元用于接收所述主控模块的指令，并接受所述主控模块的采集时间长度值，当所述主控模块发出开始采集指令时，控制所述高速采集电路进行数据采集，并同时开始计时，当计时时间到达设定的采集时间时，停止采集；
31.所述高速采集电路用于在所述定时单元的控制下，对输入信号进行采集，在采集结束后将数据传输给所述主控模块，由所述主控模块传输给所述服务器；
32.所述放大/衰减单元用于在所述主控模块的控制下，根据用户所设定的激励信号幅度，设置相适配的放大/衰减系数，以对实验电路的输出信号进行放大或衰减，以匹配所述高速采集电路的输入信号幅度要求。
33.另一方面，本发明还提供了一种利用上述的一阶电路过渡过程实验教学系统实现的一阶电路过渡过程实验教学方法，该方法包括：
34.用户打开所述客户端，由所述客户端向用户显示实验电路电路图和数据表格，并接受用户的实验参数设定指令，获取用户设定的实验参数；然后由所述客户端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；
35.所述服务器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；然后由所述服务器将激励信号类型、激励信号幅度以及采集时间长度传输给所述实验装置；
36.用户将所述实验装置与实验电路相连；
37.用户在所述客户端上输入开始实验指令，由所述客户端将开始实验指令传输至所述服务器，所述服务器将开始实验指令传输至所述实验装置，所述实验装置在接收到开始实验指令后，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所述服务器，由所述服务器传输给所述客户端进行显示；
38.用户在所述实验装置上观察实验电路过渡过程的响应波形，并根据响应波形来测
量波形的时间常数，然后将时间常数理论值和时间常数测量值填入所述数据表格，并提交至所述服务器；所述服务器自动对响应波形进行分析，判断响应波形是否正确，以判断出学生的电路连接是否正确，并自动测量出所述响应波形的时间常数，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；
39.要求用户更换电路类型和实验参数，重复以上步骤多次，进行对比研究。
40.进一步地，实验电路为专用实验箱上固定的电路或由用户自行搭建而成；
41.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。
42.本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
43.本发明克服了现有的一阶电路过渡过程实验操作的缺点，具有以下优点：
44.1.操作简便。采用本发明的一阶电路过渡过程实验教学系统，学生不需要专门学习信号发生器和示波器的操作与使用，能一键自动输出指定的激励信号，并自动设置采集电路的放大/误差系数，自动采集合适时间长度的信号以显示出完整的过渡过程，这些都极大地降低了学生的操作难度，使得学生可以更专注于实际现象的观察与验证，专注于理论与实际的融会贯通。
45.2.实验现象与理论分析一致。系统所带的激励源能够输出现有信号发生器所不具备的上升阶跃信号和下降阶跃信号，从而能够让一阶电路产生单一的零状态响应或者零输入响应，使得实验现象与理论分析一致，降低学生的理解门槛。
46.3.本发明提供的一阶电路过渡过程实验教学系统具备完善的实验监督和数据自动批改功能。本发明的实验教学系统能够采集到电路的响应波形并进行自动分析和自动测量，能够判断学生采集到的波形是否正确，同时还能够将学生输入的时间常数测量值与理论值进行对比，判断学生的测量是否正确，还能够判断学生计算的理论值是否正确。整个过程无需老师的人工干预，从而大大减轻了老师的工作负担，使得老师有更多时间与精力来指导学生的具体实验。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1是本发明实施例提供的一阶电路过渡过程实验教学系统的结构框图；
49.图2是本发明实施例提供的客户端的显示界面示意图(以rc电路为例)。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
51.本实施例提供了一种一阶电路过渡过程实验教学系统，应用于电工电子实验中，如图1所示，该系统包括客户端、服务器以及实验装置；其中，
52.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；实验电路为实验所需要的一阶电路，其类型为rc电路或rl电路；可以是专用实验箱上固定的电路，也可以是用户通过面包板和分立的元件自行搭建而成的。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。
53.具体地，在本实施例中，所述客户端为运行于平板电脑、手机或者电脑上的app，当然其也可以以网页的形式运行于浏览器中；其显示界面如图2所示。
54.所述服务器用于存储实验电路图，进行指令传输，进行数据比对，以及实验报告存储；具体地，所述服务器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；
55.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。其中，提示内容包括：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。
56.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。
57.具体地，在本实施例中，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；其中，
58.所述通信模块可以采用以太网、wifi、4g/5g网络等通信方式，用于实现所述实验装置与所述服务器之间的通信；
59.所述主控模块用于控制所述实验装置中的各个模块；
60.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(上升的阶
跃信号或者下降的阶跃信号)，作为实验电路的激励信号；
61.所述数据采集模块用于在所述主控模块的控制下，对实验电路的输出信号进行数据采集；其中，需要说明的是，本实施例的系统可以自动设置采集时间和信号的放大/衰减系数，从而使得所述数据采集模块能够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，不需要人工干预；进一步地，所述数据采集模块包括定时单元、高速采集电路以及放大/衰减单元；其中，
62.所述定时单元用于接收所述主控模块的指令，并接受主控模块的“采集时间长度”值，当主控模块发出“开始采集”指令时，控制所述高速采集电路进行数据采集，并同时开始计时，当计时时间到达设定的采集时间时，停止采集；
63.所述高速采集电路用于在所述定时单元的控制下，对输入信号进行高速采集，在采集结束后将数据传输给主控模块，由主控模块传输给服务器；
64.所述放大/衰减单元用于在所述主控模块的控制下，根据用户所设定的激励信号幅度，设置合适的放大/衰减系数，以对实验电路的输出信号进行放大或衰减，以匹配所述高速采集电路的输入信号幅度要求。
65.所述人机交互模块由液晶屏、开关和旋钮等交互元件组成；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，用户可以通过操作所述旋钮来移动光标，以测量时间常数。
66.基于上述，利用本实施例的一阶电路过渡过程实验教学系统实现的一阶电路过渡过程实验教学方法，包括以下步骤：
67.1、进行实验时，用户首先打开客户端，客户端会向用户显示实验电路的电路图(rc或者rl电路)；电路中的元件参数值(电阻、电容、电感值)可以由客户端给出，也可以让用户自行选择并输入给客户端，并设置激励信号的幅度(需要在一定范围内)。然后用户选择要观察的响应类型(有零状态响应和零输入响应两种)。客户端同时还给出时间常数理论值和时间常数测量值的数据表格，在实验过程中需要由学生填入。
68.2、由客户端将实验电路类型(rc或者rl)、元件参数值(r、l、c值)、激励信号幅度值，以及所要观察的响应类型(零状态响应或者零输入响应)传输给服务器；服务器根据客户端上传的元件参数值，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(保证采集到完整的响应过程，一般为时间常数的5～10倍)；服务器还根据观察响应类型，确定激励信号的类型，即选择是输出上升阶跃信号还是输出下降阶跃信号。
69.3、服务器将激励信号类型、激励信号幅度和采集时间长度传输给实验装置。
70.4、用户连接好实验电路，并将实验电路分别与实验装置的激励源的输出和数据采集模块的输入相连接。
71.5、用户在客户端上输入开始实验指令，由客户端通过服务器将开始实验指令传输至实验装置的主控模块，主控模块控制激励源向实验电路输出指定的激励信号，同时控制定时单元启动数据采集，采集实验电路的响应波形数据，当设定的采集时间结束时，停止数据采集，并将采集的数据显示在人机交互模块上，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。
72.6、用户在人机交互终端上观察过渡过程的响应波形，并操作旋钮移动光标来测量波形的时间常数，然后将时间常数理论值和时间常数测量值填入客户端的数据表格，并点
击“提交数据”按钮，将数据提交至服务器；服务器已经提前计算出了时间常数的理论值，同时也存储有用户的测量波形，服务器会自动对响应波形进行分析，判断其是否正确，以判断出学生的电路连接是否正确，并自动测量出所述响应波形的时间常数，得到时间常数自动测量值；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；服务器还会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；提醒内容包括：
73.·
响应波形不对，重新接线操作
74.·
时间常数测量值不对，重新测量
75.·
时间常数理论值不对，重新计算
76.7、要求用户更换电路类型和元件参数，重复以上步骤三到四次，进行对比研究。
77.综上，本实施例提供的一阶电路过渡过程实验教学系统一方面简化了学生的实验操作过程，将一阶电路的过渡过程可以方便、快捷、直观地展示出来，并且显示的波形与理论分析相吻合，降低了学生的操作和理解门槛，提高了教学效果，另一方面，本实施例提供的教学系统可以代替老师完成波形验证和数据检查的重复工作，使得老师可以将更多的时间投入到指导学生和课程优化中。
78.此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
79.最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。