实验题目：基于 APM 理论的电子线路故障排查系列实验

1. 课程简要信息

（1） 课程名称：电路分析与电子线路基础实验
（2） 课程学时（课内/课外）：36/8
（3） 适用专业：电类专业全体学生。包括信息工程、电子科学与技术、自动控制科学与工程、光电信息科学与工程、应用物理、机械电子工程，及特色班与创新班，包括：智科班、卓越工程师班及冯秉铨实验班。

（4） 学生年级：二年级第一学期

2. 实验内容与任务（限 500 字）

电路故障诊断和修复能力，是从事电子技术研究的基本技能之一，也是促进学生能力成长的重要组成部分。在理论课教学环节，对该项能力的培养是缺失的。本实验，就是专为提高学生电子线路故障排查能力而设计的。

能力的培养需要正确方法的引导。本实验引入了 APM 故障排查和修复理论（由美国弗洛伊德（Tomas L.Floyed）和布奇勒(David M.Buchla)于 2013 年在其编著的《交直流电路基础系统方法》一书中提出，该理论指出：针对故障电路的处理流程包括三个步骤：

1）（Analysis）首先分析故障的线索和征兆;
2）（Plan）进而制定一个排除的逻辑计划。熟知电路的工作原理，在电路原理图上标记各个测试点正确电压值，对排除故障特别有用;
3）（Measure）实施深思熟虑的测量，不断缩小可能出现故障的范围。

实验内容包括：

基础实验（必做）：应用 APM 理论，借助 Multisim 仿真工具，对设置的 11 个虚拟电路的故障进行检测。故障类型主要包括：

1）开路故障和短路故障的诊断
2）串联与并联电路故障的诊断
3） 连线与节点故障的检测
4）电阻、电感与电容元件故障的检测
5）三极管放大电路故障的检测

提高部分（部分选做）：在内容和难度不一的两个故障排查专项训练实验装置（下称“实验板”）上完成若干硬件电路的故障诊断和修复，并按要求详细记实施 APM的过程及原始数据。

1）实验板一包括：电阻串并联、RL及RC 三个故障电路，是硬件部分的必做项目；2）实验板二包括：二极管应用，三极管单级放大电路及两级集成运算放大电路的故障，是硬件部分的选做项目。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）课外仿真：学生须在课外先行完成实验的基础部分（软件仿真部分）提交老师批改。正确率达 $80 %$ 以上的，获取参与硬件实验的资格。

2）硬件实验准备。根据实验室提供的故障电路图，弄清其基本工作原理，计算电路正常工作时，各节点交、直流电压及电流的理论值。

3）完成必做硬件实验。学生进入实验室，每人一个实验板（1），使用实验室的仪器设备对实验板上的故障电路逐一进行诊断，并将分析（A）、规划（P）及测量（M）全过程的思路及原始测试数据详细记录在《APM记录表》里。

4）两位老师在现场负责实验过程中的巡回答疑、辅导。

5）验收实验。学生找出故障问题，请老师验收。老师参考学生的《APM 记录表》并结合现场实测，与学生一同确认故障点。诊断正确的，老师与学生一起修复故障，该故障验收合格，可继续解决下一个故障问题：不正确的，教师指出问题所在，启发学生再次进行诊断规划。

6）选做硬件实验。学生必须完成实验板（1）上的全部故障电路，才可进行实验板（2）上的故障电路的诊断。

7）成绩评价。教师根据学生诊断过程的规范性、正确性以及完成排障的电路个数，给予该次实验的成绩。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

电路出故障时，应考虑导致该故障的所有可能性。

1）（Analysis）首先分析故障的线索和征兆。2）（Plan）进而制定一个排除的逻辑计划。熟知电路的工作原理，在电路原理图上标记各个测试点正确电压值，对排除故障特别有用。3）（Measure）实施深思熟虑的测量，不断缩小可能出现故障的范围。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

理解基于 AMP 的故障排查理论，掌握其实施的基本方法和技巧；培养全面考虑，深度挖掘各种致障因素的排障工程观念；树立尊重实证，用测量数据说话的实验精神；促进理论与实践的紧密结合。

6. 教学设计与引导

电路故障无处不在，学生在实验和设计过程中遇到问题，需要被动的去解决；而通过典型故障现象的集中展示，系统培养学生故障排查的能力，则是一种主动的应对措施，也是我们开发该实验项目的初衷。我们的电路分析及电子线路基础实验课共36学时，实验内容安排见下表 1：

表 1 电路分析及电子线路基础实验内容及学时安排

由上表可见，本实验的定位是承前启后：既是前阶段基本实验能力的检阅与提升，又是后续独立开展实验设计的技能准备。我们在实施教学设计时考虑了以下问题：

深刻立意。电路是电子技术入门课程，学生对于教科书上理论的理解是抽象的。故障诊断过程，是理论与实践结合的最佳切入点。通过本实验，电路理论有了踏实的落脚点。

知识架构。该实验的先导实验项目包括仪器使用、元器件识别、基本放大电路研究及规范操作强化等项目，学生具有基本实验理论与实验技能的储备，借助故障排查专项训练，动手能力与实验思维能力得以强化与提升。理论与实验知识体系架构图如图 1 所示。

图 1 理论与实验知识体系架构图

正确方法。排障能力的培养需借助科学的方法，以分析（A）规划（P）测量（M）为核心的故障排查逻辑，是培养学生规范进行电子线路故障诊断和修复的科学理论，我们将其导入实验课堂，令整个排障训练遵循正确的方法。

内容安排。仿真软件设置故障比较便利，所以先行实施的仿真实验部分包含：开路、短路、串联及并联、连线与节点、电感及电容元件、三极管等单一故障类型，训练学生认识典型故障现象，熟练 APM 实施的方法。硬件部分的故障电路则较复杂，故障点有一个或多个，是故障排查技巧的综合应用与提高。

硬件支撑。设置故障的多样性，引发学生兴趣，活跃实验课堂，都需要硬件的支撑。我们设计开发了两个实验装置（实验板）。一号板以串、并联电路和 R.L.C 元件故障为主；二号板以二极管、三极管及集成运放为主的功能电路为主，故障点多、难度稍大。通过使用独特的 PBC 设计，电路每一个节点都可以设置通、断故障，每一个元件参数都可以调整，做到每块实验板的故障都不完全一样。

教学引导。我们的引导，落实在教学实施和过程管理的细节上。

培养学生挖掘所有故障可能性的能力与习惯。我们从提出“一条电阻支路出问题，可能出现几个故障点？”这一问题入手，剖析存在的 7 个（四个连接节点，两连线，一元件）致障可能性，纠正电路故障只考虑元件故障的错误思维方式，培养全面挖掘致障因素的正确排障观。

训练排障过程的规范性和熟练性。要求学生使用《APM 记录表》，详细记录排障过程的每一个步骤，重复性、规范性训练，强化 A(分析)P（规划）M（测量）习惯的养成。

耐心细致的工作作风。教师验收故障细致到电路的最小组成部分（节点、连线或元器件）。引导学生认识并落实：找到故障支路不算完，一定要将故障落实到“点”，不漏过任何一种故障可能性。

尊重实验，用事实说话。以该实验为载体，诠释实验的精神与内涵；一个节点是否接通，不是用眼看的，而是用仪器量的。采用科学手段，用测试结果说话。

善始善终。《APM 记录表》作为教师验收实验的重要依据，教师和学生一起对照实物，根据过程纪录的数据和现象确认故障点；当着学生的面进行故障恢复的操作，把发现问题到修复故障的过程做完整。

7. 实验原理及方案

实验紧紧围绕：故障现象分析(A)---排障步骤规划（P）----实施测量（M）的基本步骤进行。

7.1 掌握电路类型及其故障现象的基本原理，是正确分析故障现象的根本

表 2 电路的典型故障及与此故障相应的故障现象

7.2 根据故障现象画出电子电路故障诊断逻辑关联图

APM 排障理论的核心，就是分析故障现象做出正确排障规划的逻辑思维过程。现以上表中共发射极放大电路“无输出信号”故障为例，说明实验原理中排障规划(P)过程（绘制逻辑关联图）。

从表 2 可以看出，无输出信号的故障原因多范围广，任何一个元件发生故障都有可能造成无信

号输出。图 2 排查故障的逻辑计划关联图说明：故障检测时，首先应该确认有无正确的直流电源，电源正常是电路正常工作的基础；其次，检查三极管的静态工作点是否正常，通过静态工作点的检测和比较，可以快速确定故障元件。具体如图 2 所示：

图 2 共发射极放大电路无输出信号的排障逻辑计划关联图

7.3 使用工具实施测量

实验现场提供万用表、函数信号发生器、稳压电源、示波器及交流毫伏表，供测试使用。根据逻辑计划关联图，选择测试工具。采用正确的测试方法，确认被测对象是否存在故障。如上图中电阻 Rb1 变小、Rb2 变大都是要用数字万用表欧姆档测试确认的。

7.4 实验的参考方案：

1）虚拟实验部分

Multisim 进行故障分析的实验方案如下：

(1)指导老师设置好故障的电路；
(2)学生使用 Multisim 提供的多种虚拟仪表、仪器对有关电路及元件进行测量，分析故障症状；
(3) 制定一个排除的逻辑计划；
(4)替换查找故障电路和比较设置故障前后现象，画出对应电路的故障诊断关联图。

2) 硬件实验部分

严格按照APM流程实施故障检查，实验方案如下：根据故障电路工作需要，接入交、直流信号，满足其工作条件；

（F）使用实验室提供的测试工具，对实验电路上各节点电压或回路电流进行检测，发现故障征兆；

（A）将测试数据与正常工作状态数据进行比对，分析故障的线索和征兆；

（P）制定一个排除故障的逻辑计划关联图；

（M）实施深思熟虑的测量，不断缩小可能出现故障的范围；

（C）修复故障，确认电路工作恢复正常。

8. 教学实施进程

采用循序渐进的方法、使用虚、实结合的手段、设置模块化内容，落实因材施教。

1）强化预习环节。预习对提升实验教学效果影响重大。我们给予学生的预习的资源是充分的，要求是明确的：

提早安排实验任务：在学生进入实验室进行硬件实验前两周，就把实验任务安排给学生，说明预习准备和实验实施的目标和过程，提醒学生提前准备。

提供实验理论指导文件：要求学生在课外阅读《电路实验指导书》中“故障排查”一章，了解基于APM理论的故障排查流程和 APM应用举例等，具有针对性与实用性的实验理论指导；

完成仿真实验。学生必须使用Multisim仿真工具，完成11个虚拟电路的故障的检测，逐一填写《APM记录表》，并提交仿真作业。该过程学生认识了各种简单故障现象，熟悉APM实施的基本方法。

确认硬件实验资格：教师检查仿真作业，作对 $80 %$ 以上的学生才有资格进入硬件实验环节。

硬件实验准备：要求学生撰写《实验预习报告》，对硬件实验电路原理进行分析，并对关键节点上电压电流参数进行理论计算，获取电路正常工作的一手材料。

至此，实验准备告一段落。

2）现场实验：

重点难点提要：在学生充分准备的基础上，我们在实验现场不再重复 APM 排障的基本要领，转而将讲解的侧重点放在：一条电阻支路出问题，可能出现几个故障点？传统测试仪器在故障排查过程中的应用技巧；怎样用测试数据说话等重点和难点问题上来。集中讲授时间控制在20分钟以内。

排除随机设置的故障：每个实验板上有三个故障电路、每个电路有一或两个故障点；故障在实验前随机设置，学生和指导老师都不知道面前故障电路真正问题所在。重点令学生领会到：同一故障现象可能有N个制障原因，同时有效杜绝抄袭现象。

启发式辅导：教师在实验现场巡回指导，启发学生打开思维，最大限度的挖掘并逐一排除导致故障的可能因素。要点是改变电路故障就怀疑元器件问题的错误思维方式，培养学生挖掘所有故障可能性的能力与习惯。

3）实验验收：学生完成整个故障诊断流程后，可向老师申请实验验收。验收过程是严格的：

要准确找到故障“点”。教师验收故障细致到电路最小组成部分，即找到存在故障的节点、连线或元器件。关键是引导学生认识并落实：找到故障支路不算完，一定要将故障落实到有问题的元件和节点，不错过任何一种可能性。

排障逻辑要正确：现场查阅学生记录故障诊断过程的《APM 记录表》，并向学生提问，了解排障过程的规范性。

用实证说话：教师与学生使用现场仪器对关键测试点电路参数进行复测，一起分析得出故障定位的结论。学生诊断和教师确认都以现场测试数据为依据，实证精神得以彰显。

4）成绩评价包括 5方面的内容：仿真作业检查与验收、课堂上排查出故障的数量、实验质量、自主创新、实验报告。

9. 实验报告要求

手写实验报告。实验报告基本信息：

1）实验项目名称
2） 实验目的与任务
3）实验装置与设备

故障排查过程记录《APM记录表》

1）发现故障征兆
2） 分析故障问题
3） 做实施测试的规划，画出排除故障的逻辑计划关联图
4） 进一步测量
5） 修复
6） 教师确认

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）仿真作业检查与验收（ $20 %$ ）：根据学生反馈的APM文档，评价课外准备情况；
2） 实物验收（ $30 %$ ）：对于每一故障电路，确认故障位置的正确与否。正确排除的故障电路数量越多，成绩越好；
3） 实验质量（ $20 %$ ）：检查《APM 记录表》，判断排障步骤的正确性，方法的规范性。
4）自主创新（ $1 0 %$ ）：允许采用尝试软件编程、硬件功能组合的创新性，自主思考与独立实践能力；
5）实验报告（ $20 %$ ）：实验报告的正确性、规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1）对故障排查能力进行专项训练，弥补课程教学的不足，是工程能力培养理念的创新。
2）电路是电子技术入门课程，以故障电路为载体，强化电路理论与实践应用的结合，令抽象的电路理论有了踏实的落脚点。
3）将 APM 理论导入实验课堂，为学生故障排查能力的培养提供一种可实施的手段和正确的方法。

实验案例信息表