实验题目：使用继电器实现的 boost 升压电路设计

1. 课程简要信息

课程名称：电路实验技术
课程学时： 16
项目学时： 2学时，课内
适用专业：自动化、通信工程、测控技术与仪器
学生年级：大二上

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1）本项目的实验任务是使用继电器设计一个boost升压电路，并观察电路的工作现象，分析其工作原理。
2） 实验任务分为两个层次，第一层次要求学生设计一个基于继电器的升压电路，第二个层次要求学生在该电路的基础上进行改进，使电路输出更高的能量。
3）学生需要在实验中充分运用所学的理论知识，通过实验调试，掌握实际电路设计的方法和技巧。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

在实验过程中，学生需要进行以下方面的工作：

1） 需求分析：明确电路实验的目的和任务；
2） 资料查询与自学预习：积极查找和学习相关的电路设计知识和技巧；
3） 思考讨论和方法设计：与同学进行讨论和交流，设计出可行的电路方案；
4） 进程规划和平台构建：制定实验进程计划，搭建实验平台和环境；
5） 器件选择和表格设计：根据电路设计需求，选择合适的电子元器件，并制定相关的实验表格；
6） 现象观察和数据测试：观察电路工作现象，进行相应的数据测试；
7） 问题分析和总结报告：分析实验中遇到的问题，并撰写实验总结报告；

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本项目涉及到电路设计、电子元器件的选型、电路仿真等知识和技能。学生需要掌握继电器的工作原理、升压电路的设计方法、电子元器件的特性和选型等知识。本项目的应用背景是电力系统和自动化控制等领域。学生需要了解相关的工程案例和应用场景。通过本项目的实践，学生可以更好地掌握电路设计的基本方法和技能，并为将来的电子技术研究和工作打下坚实的基础。

5. 实验环境条件

本实验案例的实施依托于我们自行研发的“物联网型智慧电路技术实验台”以及与之配套的智慧化实验教学系统来进行，如图1所示。

图 1 自行研发的物联网型智慧电路技术实验台

该实验台除了安装有电路实验常用的电源和仪器外，还配有平板电脑，并安装有专用的实验教学APP，平板电脑可以与实验台上的各个仪器仪表建立通信。学生在课堂上首先通过人脸识别登录到系统，然后进行预习题回答。之后在实验过程中，学生在平板电脑上自主观看实验教学视频，边观看边操作，然后进行数据测量，测量的数据可以由系统立即获得，并立刻进行正误批改，这些重复工作不需要指导教师人工干预。

我们录制了详细的实验操作教学视频，嵌入到线下的智慧实验教学系统，学生在实验过程中自主观看。同时我们在中国大学 MOOC 网开设了 SPOC 课程和慕课课程，实现了实验教学的线上线下混合式教学模式。

6. 教学目标与目的（限 150 字）

本案例的教学目标与目的包括：

1）掌握知识：学习电容器、电感器这两种储能元件的动态特性，以及相关的实际应用知识；2）学习技能：了解并掌握使用万用表、直流稳压电源、示波器等电子仪器观察和测量常用电量的方法；3）锻炼思维：锻炼应用理论知识解决实际问题的动手能力和工程思维。

7. 教学设计与实施进程

1)学生自行观看实验指导视频：学生戴上耳机，自行观看实验台平板电脑内的实验指导视频，自主学习，如图2所示。

图 2 学生自主学习

2)学生搭建电路，进行实验

实验指导视频观看完毕之后，学生根据指导视频，自行搭建电路，搭建过程如图 3所示：

图3 学生搭建电路过程

3)实验台自动获取数据

学生搭建好电路后，实验台自动获取测量数据，并且自动批改，实现实验过程全流程电子化、自动化，如图4所示。

图4 实验台自动获取并批改数据

4)学生排故调试

如果学生的测量数据有误，系统会给出提示并要求重新测量。学生须自行查找原因。如果经过反复检查之后，仍然找不到出错原因，可向老师求助，如图5所示。

图5 学生向老师求助

学生排除故障，重新测量出正确的数据后，系统会允许通过实验。

图6 学生排除故障，通过实验

5)实验完成，实验台自动给出学生实验成绩。

图7 系统自动给出学生成绩

8. 实验原理及方案

本项目的基本原理是利用继电器实现电路升压。设计依据是根据电路需求和电子元器件的特性选择合适的器件，通过实际实验进行参数调整和优化，最终实现电路升压的目标。学生需要掌握继电器的工作原理、升压电路的设计方法、电子元器件的特性和选型等知识，通过实验调试掌握实际电路设计的方法和技巧。具体的实验原理及方案如下。

首先通过电容器和电感器两种储能元件的动态特性来分析如何利用它们来实现高电压和高能量。电容器两端电压与电流成积分关系，只要保证电流持续的流入，就可以使得其两端电压逐渐升高，最终得到高电压，那么如何来让电流持续的流入呢？这里先留下一个疑问。

电感两端电压与流过它的电流，是成微分关系。也就是说，只要将流过电感的电流发生剧烈变化，就能够在它两端得到很高的电压。所以，本实验就使用电感来得到高电压。

通过以上分析，最终确定需要使用电感来实现高压的产生，电路图如图 8 所示。

图 8 电感电路分析

通过实际电路的搭建及现象观察，确认在开关断开瞬间确实产生了高压，并通过示波器测量出了瞬间产生的高压电压达到了 $4 8 0 \mathrm { V }$ ，如图9 所示。

图 9 高压产生过程

以上电路实现了高电压的产生，但是还没实现第二个设计目标：高能量。为了实现高能量，需要利用电容器的动态特性，实现能量的存储，电路图如图 10 所示。

图10 加入电容实现能量存储

经过分析，上面的电路无法实现能量的持续存储，还需要加入二极管，防止能量的释放，如图 11所示：

图 11 使用二极管实现能量持续存储

通过电容的储能作用，实现了能量的存储，最终实现了所需要的具有一定能量输出的高电压产生电路。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2）实现方案论证

3）理论推导计算

4）电路设计与参数选择

5）电路测试方法

6）实验数据记录

7）数据处理分析

8） 实验结果总结

10.考核要求与方法（限 300字）

我们对学生的考核，基本上实现了电子化、自动化，具体考核方法为：

1. 课堂开始：通过智慧实验教学系统，首先出题对学生进行预习测验，使用选择题的形式让学生作答，根据情况每题计 1 分或者2 分，计算到课程的最终成绩中；

2. 实验过程中：对于实验过程中的测量数据不计分，但是如果数据测量错误系统会要求学生重新测量，直到数据测量完全正确，才允许进入下一个实验内容；

3. 课堂结束之后：学生在课后完成电子实验报告上的题目，题目类型有选择题、填空题和表格题，还包括有实验的总结与收获。系统会对客观题进行自动批改与计分，老师对学生的总结进行评阅和给分。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

本项目的特色在于使用继电器实现了 boost 升压电路设计，培养学生的动手能力和创新意识。通过本项目的实践，学生可以更好地掌握电路设计的基本方法和技能，并为将来的电子技术研究和工作打下坚实的基础。