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关键词: 电力电子电路; 容错控制; 混杂系统; 模型预测控制
中图分类号: TN710?34; TM464 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)20?0154?03
Fault tolerant control of power electronic circuit based on MLD model
YU Bao?ping1, YU Jia2
(1. Xi’an CLEC, Xi’an 710065, China; 2. Xi’an Fuchida, AVIC, Xi’an 710077, China)
Abstract: Compared with traditional switching function model of power electronic circuit, mixed logic dynamic (MLD) model can accurately describe the changing process of circuit because the mixed logic dynamic model contains the control change and condition change of circuit. The MLD model of power electronic circuit is established in this paper. Considering that the MLD model contains the discrete variables, the traditional control method is no longer applicable. Therefore, the auxiliary logical variables and assisted continuous variable were introduced into the model predictive control (MPC). The fault tolerant control and realization steps of power electronic circuit based on MLD model and MPC were researched. The method has the advantages of simple realization, good fault tolerance error performance, strong versatility. The feasibility and effectiveness of this method were verified by the example of fault?tolerant control of a three?phase four?leg inverter circuit.
Keywords: power electronic circuit; fault tolerant control; hybrid system; model predictive control
0 引 言
微电子技术、计算机技术、控制技术的发展带动了电力电子技术的快速进步[1],近年来,电力电子电路的应用遍布工业、军事、航空航天等重要领域,主要用于电能的处理与变换,电路的可靠性关乎到整个系统的健康运行,而容错控制(Fault Tolerant Control,FTC)是提高系统可靠性的一个重要手段,容错控制的目的在于通过控制器的调节使故障系统仍能保持满意的性能或至少达到可以接受的性能指标[2]。任何功率管故障均会导致电力电子电路的缺相运行[3?4],因而硬件冗余和控制设计是研究电力电子电路容错控制的两个主要方面。文献[5]研究了一种新型的容错电路拓扑及其控制策略,文献[6]对一种容错的多电平逆变电路拓扑进行了容错研究。本文以基于电力电子电路的MLD模型和MPC研究了电路容错控制的通用方法及实现步骤,并以三相四桥臂逆变电路为例对所提方法进行验证。
1 电力电子电路的混合逻辑动态模型
混杂系统是指由连续变量动态系统和离散事件动态系统相互混杂、相互作用的系统[7]。电力电子电路功率管的通断受到控制信号的驱动,具有离散特性;功率管的每种通断组合均是一个离散事件,电路在每个离散事件期间的变化受状态方程的约束,具有连续特性,因此电力电子电路是一种典型的混杂系统[8]。MLD模型是一种主要的混杂系统建模方法,MLD将离散事件以条件的方式嵌入微分方程组中,把系统整个当作一个微分方程组来处理,最终将控制问题转化为优化问题 [9]。根据电力电子电路的物理规律,可以建立电力电子电路的混合逻辑动态模型如下:
[X(k+1)=AX(k)+B1U(k)+B2σ(k)+B3Z(k)Y(k)=CX(k)+D1U(k)+D2σ(k)+D3Z(k)] (1)
式中:X=(Xc,Xl)T为状态变量,其中Xc为连续状态,Xl为离散状态;Y=(Yc,Yl)T为输出变量,其中Yc为连续输出,Yl为离散输出;U=(Uc,Ul)T为输入变量,Uc为连续输入,Ul为离散输入;σ和Z分别代表系统辅助逻辑变量和辅助连续变量。
2 电力电子电路容错控制的基本机理
容错控制就是通过控制器的调节使故障系统继续保持满意性能或至少可以接受的性能指标。而电力电子电路的容错控制需要同时考虑控制器和硬件冗余两个方面,因为电力电子电路的任何功率管故障均会导致电路的缺相运行,仅通过控制器的调节无法使缺相运行的电路满足指标要求。图1为电力电子电路容错控制原理图,电路状态检测模块负责将电路的故障信息传至拓扑重构模块和控制信号切换模块,重构模块隔离电路的故障功率管,控制信号切换模块将故障功率管的控制信号切换至冗余功率管,由冗余功率管接替故障功率管工作,保证电路满足指标要求。
图1 电力电子电路容错控制原理图
由于电力电子电路MLD模型中离散变量的存在,传统的控制方法不能简单用于电力电子电路控制。在形式上,MPC被控对象的数学模型和电力电子电路的MLD模型相似,因此将辅助逻辑和辅助连续变量引入MPC,扩展后可用于电力电子电路的控制[10]。给定X0为初始状态,N为预测步长,X(i|k)是第k+i步系统状态的预测值,选择目标函数为:
[minuk+i,i=0,1,2,..,n-1JUN-1K,X(k)=Δ0N-1(U(i)-UePQ1+U(i|k)-UePQ2+σ(i|k)-σePQ3+Y(i|k)-YePQ4+Z(i|k)-ZePQ5)] (2)
[s.tX(N|k)=XeX(i+1|k)=AX(i|k)+B1U(i)+B2σ(i|k)+B3Z(i|k)Y(i|k)=Cx(i|k)+D1U(i)+D2σ(i|k)+D3Z(i|k)] (3)
式中:Xe,Ue,σe,Ze,Ye是控制的目标值;Qj为权值矩阵,j=1,2,…,5。
式(2)中:P=1时,问题转化为一混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming,MILP)问题;P=2时,为混合整数二次规划问题(Mixed Integer Quadratic Programming,MIQP),具体算法已有很多文献进行了相关研究[11],本文不在详述。
对于不同的电力电子电路,利用冗余的思想均可设计出电路具有冗余功能的拓扑结构,进行混合逻辑动态建模,电路模型可抽象为式(1)的形式,如图1所示。根据电力电子电路的容错控制原理,设计电路模型预测控制器及故障后拓扑的重构策略,即可实现电路的容错控制。下面就以一种新型的逆变电路为例说明电力电子电路基于此方法容错控制的具体实现步骤。
图2 三相四桥臂逆变器拓扑
3 仿真验证
如图2逆变器拓扑,仿真参数如下:Vdc=270 V,C=8 800 μF,滤波电感L=100 μH,滤波电阻R=25 mΩ,额定频率为400 Hz。仿真结果如图3所示,其中(a)为逆变器正常工作时三相输出电压及其频谱分析结果,(b)为逆变器单管故障容错后逆变电路的三相电压及频谱分析结果。
4 结 论
本文在分析建立通用的电力电子电路混合逻辑动态模型的基础上,提出了电力电子电路基于混合逻辑动态模型的容错控制策略,具有较强的通用性。
文章以一种三相四桥臂逆变器拓扑为例,并通过仿真对所提方法进行了验证。
参考文献
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电子电路课程是电工专业的专业基础课,也是非电工专业如计算机、机械等专业的非常重要的技术基础课程。电子电路课的主要任务是为学生学习专业知识和从事工程技术工作打好电子电路技术的理论基础,并接受基本技能的训练。学生学好该课程无论是对后续专业课程的学习,还是毕业以后的工作或者对继续深造都起着重要的作用。
1.教师的实践能力
经过几年的教学活动和参加产品开发研制工作,证明理论教学与实际结合是至关重要的。在电子电路课程中,学生最终应达到两个目标,一是会将实际电路抽象成电路模型,并能分析其原理,当电路出现故障时会修复;二是会分析已经绘出的电路模型,达到实现电路设计的目的。上述教学目标的实现,需具备两个条件,一是教师的实践能力,二是实验设备与手段。现任的成人高校教师中,90%是从应试教育的模式中培养出来的,他们中的绝大多数人都是从学校出来后直接进入教育岗位的。教师本身就没有实践经验,所以在教学中只能有意无意地避开实践环节。但这一现象导致了人才培养的恶性循环。因此,教师和学校都应从这一误区中尽快地走出来。教师是否了解学科技术的前沿,能否更多地将当前新工艺——现代新产品设计流程;新电子元件——目前广泛使用的新器件,新仪器产品——现代电子仪器的使用介绍等内容融入课堂教学是至关重要的。
2.学生的学习状况
在课堂教学中,开始学生还可以接受一些知识,但随着教学的深入,学生感到了困难,随之学习的兴趣越来越少,主动学习便是一句空话,学习者也就是为了应付考试,最终的教学目的很难达到。
3.实验课的现状
由于工科专业招生困难,大部分学校把经费都投向了计算机房等能马上收回成本、赚钱的项目上。因此,电工实验都在吃着老本,用着十几年前的仪器设备,跟不上现代工业的发展及电路设计的要求,实验质量也因此受到很大的影响。所以,合理地增加实验经费,更新实验设备已迫在眉睫。另外,课时的压缩,导致教师把重点放在知识的传授上,对于实践环节只用很少的课时,这对提高学生的动手能力是极为不利的。
二、电子电路教学方法探讨
1.注重基础知识的教学同时避免过于片面性
面对学生编写教材和教学时,模拟电子电路课程不易片面强调以集成电路为主,理由如下:
(1)模拟电子电路是学生第一次接触到的一门工程型、技术型、实用型的课程,它与先修课程“电路分析基础”和“信号与系统”有很大的差别。后者是讲述模型化电路和信号的分析方法,而电路的结构、元件的取值和信号的性质的不同并不影响分析方法的学习。但电子电路却是具有—定功能的实用电路,学生在学习模拟电子电路课程时,由于受习惯思维的影响,碰到的第一个疑点和难点是不理解电子电路课程的工程性特点;而且面对实际的电子电路进行分析和计算时,要引入有源器件参数的离散性和误差。考虑到这些基本因素,学生在学习电子电路的过程中是否能采用在一定的误差和容差范围内,忽略某些次要因数,而抓住主要矛盾来进行工程估算,使之既不失设计计算的正确性和可靠性,又能使分析和设计计算简单化。这种基本能力的培养,显然应该作为模拟电子电路教学的基本出发点,而片面强调以集成电路为主势必会削弱学生这种基本能力的培养和建立。
(2)模拟电子电路课的新概念多,所涉及的基本理论、基础知识和基本方法对专科生的培养起着重要的作用;而且课程的内容体系与其他相关的专业课程之间保持着紧密的衔接和交融,因此在基本概念的讲述上不能压缩篇幅。另外,概念清楚、基础理论扎实,也是灵活应用集成电路的关键。
(3)集成电路类型品种繁多,而且发展十分迅速,到底以哪些电路为主?即使花费很大力气讲清楚了几种,由于基础不扎实学生也不可能用好其他类型的集成电路。
(4)集成电路内部结构极为复杂,大量问题不是从电路的基本原理考虑,而是从工艺角度考虑的,从提高性能指标考虑的。若提倡以集成电路为主,很容易出现内部电路讲的过细的情况,影响了基本理论的学习。
(5)由于片面提倡以集成电路为主,有许多书籍用大量的篇幅讲集成电路的应用,例如运放组成的反向比例放大、同相比例放大、加法、减法等电路。其实这些内容十分简单,只要讲清楚分析问题的思路和要点即可,完全可以让同学自己分析。故集成电路的应用不宜延伸太宽。
从以上五个方面来看,片面强调以集成电路为主的提法容易偏离模拟电子电路课程的方向,不利于加强基本概念和基本理论的学习,不利于打牢基础。
2.以实例为基础,讲授课程的主要内容
为提高学生的学习兴趣,开始先提出一个实际问题,例如用比较通俗语言讲解“电视信号测量仪”的原理方框图,对“电视信号测量仪”产品的原理方框图,先提出问题,再解决问题,在解决问题中根据课程基础知识衔接问题,确定方框图中各个方框详细内容解剖的顺序,在讲解基本原理的基础上一个一个攻克。在学生的头脑中始终有一个主线——解决实际问题,课程的主要内容逐步展开,使学生清楚学习完某一个单元电路后,它可以解决什么问题,今后如何应用。
例如:介绍检波方框时,先介绍二极管的构成、符号和特性,在介绍二极管的各种用途时,重点讲解二极管的检波特性,即如何将交流电变为直流电的过程,同时使学生对单元电路和整体之间的关系有深入了解。又如讲解中频放大器方框时,从三极管入手,可将模拟电路的主要内容引出;在LCD显示方框中,可引出数字电路中许多常用的单元电路部件。
3.以实例为切入点,改进实验手段,培养学生的设计能力
在教学中尽量多地通过实例的引用,使课堂教学内容丰富,不断激发学生的学习兴趣。但增加实验课时与改进实验手段仍是实现培养目标的关键。首先应明确实验课已不是传统意义上的电路物理量的测量与计算、验证定理。随着计算机的迅速发展,实验应提供给学生电子自动化设计工具,如Pspice软件,该软件能够模拟电路的性能,可以把它引入到教学与实验中,课堂上以实例中的某一模块为切入点,用计算机模拟电路性能并进行输入输出测量,使学生对实际电路的性能有较直观的了解,并借助该软件分析电路。
4.在实验教学和实验室科学化管理中加强计算机的应用
关键词:电力电路;故障;检修方法
一、常见故障现象及成因
(一)电子电路常见的故障现象
电子电路发生故障的现象种类非常多,常见的电子电路的故障现象有:稳压电源无电压输出,或者输出稳压性变坏、输出电压不稳定,或者输出电压不能调整;计数器输出脉冲波形不稳,或者不能正确计数;放大电路没有输入信号,而有输出波形。故障是人们不愿看到的,但是它又是不可避免的电力异常工作状况。
(二)电子电路常见故障的成因
电子电路产生故障的原因是很多的,本文对以下几方面进行分析。
(1)设计错误引发的故障。对于此类故障,可以在电路设计过程中通过仔细周全的考虑而避免。(2)引起初样的电路故障的有:第一,实际电路印制板不符合设计的原理图;第二,由于使用元器件不当而被损坏;第三,短路或者断路发生在连线;第四,误连接二极管、三极管、集成器件和电解电容极性。(3)引起定型产品产生的故障的原因有:元器件损坏,短路或者断路连接发生。(4)引起故障的原因还有仪器使用不正确。
二、电子电路的故障检修方法
(一)直接观察法
不采用任何仪器设备,对电路接线也不做任何改动,直接观察待查电路表面来发现问题、寻找故障的方法称为直接观察法。而静态观察和通电检查又是直接观察法的两个分类。(1)静态观察法:1)对仪器的使用情况进行观察。选择的仪器类型是否合适,选用的功能和量程有无差错,共地连接是否能够妥善处理。要想对电路自身进行观察,需在排除电路外部故障后方可。2)对电路的供电情况进行观察。电源电压的等级和极性是否符合要求,电源是否已确实接入了电路。3)对元器件的安装情况进行观察。有没有错接、漏接以及互碰电解电容的极性、二极管和三极管的引脚、集成期间的引脚,是否进行了合理的安装,有没有屏蔽干扰源的措施。4)对布线情况进行观察。强电和弱电线、输入和输出线、交流和直流线的布线是否遵循布线原则。(2)通电后,对元器件进行观察,看有没有发烫、冒烟的情况出现,变压器有没有焦味或者发热或者异常声响。一般情况下,比较明显的故障可以用直接观察法。
(二)参数测试法
参数测试法是借助于仪器帮助来发现问题、寻找故障元件的方法。这种方法又分为断电测试法和通电测试法两种。断电测试法是在电路断电条件下,利用万用表欧姆档测量电路或元器件电阻值,借以判断故障的方法。测试时,为了避免相关支路的影响,被测元器件的一端必须与电路断开。同时,为了保护元器件,一般不使用高阻挡和低阻挡,以防止高电压或大电流损坏电路中晶体管的PN结。通电测试法是在带电条件下,借助于仪器测量电路中各点电压或支路电流,进行理论分析,寻找故障所在的方法。
(三)信号寻迹法
信号寻迹法是在电路输入端加入一定幅度、适当频率的信号,按照信号的流程由前级到后级,用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内各部分传输的情况,根据电路的工作原理,分析电路的功能是否正常,从而判断故障所在部位的方法。检测时也可以从输出级向输入级倒推进行,信号从最后一级电路的输入端加入,观察输出端是否正常,然后逐级将信号加入前面一级电路输入端,继续进行检查。显然,只有在电路静态工作点处于正常的条件下,才能使用这种方法。
(四)对分法
对于有故障的复杂电路,为了减少调试的工作量,可将电路分成两部分,先寻找出有故障的部分,然后再对有故障的部分进行对分检测,一直到找到故障点为止。
(五)分割测试法
对于一些有反馈的环形电路,如振荡器、稳压器等电路,它们各级的工作情况互相有牵连,这时可采用分割环路的方法,将反馈环去掉,然后逐级检查,可以更快地查出故障部分。对自激振荡现象也可以用这个方法检查。
(六)对比法
怀疑某一电路存在问题时,可将此电路的状态、参数与相同的正常电路进行逐项比较,这样就可以较快地找到电路中不正常的参数,进而可由不正常的参数分析出故障原因并判断出故障点。
(七)替代法
有时故障比较隐蔽,这时可用已调试好的单元电路或组件代替有疑问的单元电路,以此来判断故障是否在此单元电路。当确认某一单元电路确有问题时,还可在单元电路中进行局部替代,逐步缩小有故障嫌疑的范围,尽快找出故障点。
(八)电容器旁路法
当电路有自激振荡或寄生调幅等故障时,可用一个容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端,观察对故障现象的影响,据此分析故障的部位。如果将电容器接到某处时故障消失,表明故障产生在此附近电路或前级电路中。在放大电路中,旁路电容开路或失效,使负反馈加强,输出量下降,此时用适当的电容并联在旁路电容两端,就可以看到输出恢复正常,也就可断定旁路电容的问题。这种检查可能要多处试验才有结果,这时要细心分析可能引起故障的原因。这种方法也用来检查电源滤波和去耦电路的故障。
三、排除故障应注意的问题
故障检测是否正确在很大程度上和检测精度有关。因此,在检测时应注意一下问题:(1)测量仪器的接地端使用要正确。仪器的接地端要和放大器的接地端相连,如果不这样的话,有可能造成测量结果产生误差。(2)要用比较方便可行的测量方法。对某电路的电流进行测量时,只对电压进行测量,电压测量比较方便。(3)在检测过程中要善于记录。(4)故障出现在调试过程中,对其原因要认真查找,不要首先只想着重新安装。如果进行重新安装的话,出现的问题会更多,有时重新安装也不会解决问题,因此认真分析故障原因是很有必要的。
参考文献:
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我们设计模拟电子电路虚拟实验平台就是为了促进电子电路教学的发展。通过实际的模拟电子电路虚拟实验教学我们也清楚的发现,该技术可以很好的与电子电路课程的教学目标相吻合,这是传统的实验课程无法实现。在具体的表现方面有:首先,采用先仿真后实验的方式,这样帮助学生进行思考,锻炼了学生思维能力;其次,重视基础实验,实现了对学生动手能力和操作能力的全面提高;最后在很大程度上可以对学生的创新能力进行培养,实现学生综合能力的提升。
2模拟电子电路虚拟实验平台的设计
2.1模拟电子电路虚拟实验平台的硬件结构
模拟电子电路虚拟实验平台最为重要与核心的部分就是硬件结构的设计,一般的模拟电子电路虚拟实验平台的硬件结构主要是由计算机、接口电路、实验板三个板块组成。
2.1.1计算机
计算机是进行模拟电子电路虚拟实验平台设计的物质基础也是硬件结构的核心。学生在进行实验的过程中首先要进行的就是在计算机上进行实验的设计与模拟验证。模拟电子电路虚拟实验平台还可以实现多个实验之间的横向对比,这样的设计可以让学习者更加清楚的掌握实验。在模拟电子电路虚拟实验平台的设计中要想实际的实验与虚拟实验进行有效的结合,这样的设计才是更加科学合理的。
2.1.2接口电路
接口电路也是模拟电子电路虚拟实验平台中十分重要的设计要素。计算机输送的信号一般都是并行数据,而控制节点可以接收的一般都是串行数据,这时就需要植入接口电路,这种电路的作用就是实现控制信号与智能插件版的有效结合,通过这种方式控制节点的通断,这时整个实验平台的关键所在,接口电路对于电路的控制功能一般是通过单片机进行的。
2.1.3实验板
模拟电子电路虚拟实验平台的实验板是由稳压电源、函数发生器、智能插件板、集成器件插件板等模块组成。它是模拟电子电路虚拟实验平台中主要的模拟实验中心,依靠正弦波形、方波、三角波三种函数发生器进行。
2.2模拟电子电路虚拟实验平台的软件结构
2.2.1电子电路虚拟实验子系统
作为电子电路虚拟实验平台的核心电子电路虚拟实验子系统主要是由拟实验子系统、模拟电路虚拟实验子系统、数字电路虚拟实验子系统和综合电路虚拟实验子系统4个部分构成。该子系统可以帮助学生对理论知识进行深入的理解,对电子电路的基础知识进行实验验证,培养和锻炼学生的操作能力。在进行设计的过程中要将RLC移相电路与谐振电路,基本定理(律)验证电路等系列实验设计到该系统中,这样才能充分发挥其作用。
2.2.2模拟电路虚拟实验子系统
模拟电路虚拟实验子系统的主要作用是帮助学习者加深对于电路知识的理解与认识,同时提高学生的探究能力与独立解决问题的能力。系统中经常会涉及到一些具有思考价值的实际问题,让学生通过分析掌握模拟电路分析、仿真、设计的能力。在该系统的设计过程中要植入晶体管放大电路、信号运算电路、功率放大电路、滤波电路、信号产生电路和直流稳压电源、二极管电路等系列实验。
2.2.3数字电路虚拟实验子系统
该系统的作用是帮助学生学习数字电路相关的理论知识的学习与理解。让学生通过模拟实验子系统熟练的掌握数字电路的分析、测试与仿真。在具体的系统设计中应该将A/D与D/A转换电路、组合逻辑电路、逻辑器件测试、时序逻辑电路以及555定时器应用等系列实验设计到该子系统中去。
3结束语
关键词:电子电路;干扰类型;抗干扰措施
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.098
自我国进入到改革开放之后,各行各业的科学水平得到了迅猛的提升。集成电路在各行各业当中的运用也变得愈发普遍,当前我国的数字电路当中,使用量最为庞大的是数字集成电路。而在该种集成电路进行使用的过程之中,尽管其噪音容限较高,并且抗干扰能力相对较强,但是同其他电子电路相同,数字电路也十分容易受到各方因素所造成的干扰。如果在数字集成电路使用的过程中不能正确针对这些干扰进行处理,便会对其正常使用造成十分严重的影响。所以,针对电子电路的抗干扰措施研究,是相关行业技术人员必须要思考的重要问题。
1 电子电路外界干扰和对应处理办法
(1)外来干扰和处理办法。因为自然因素所产生的对电子电路的干扰被人们称之为外来干扰。常见的外来干扰有雷雨天的闪电和雷电现象、太阳对地球所产生的辐射现象等。这一系列的外来干扰往往会对需要使用到电子电路的广播设备、通信设备和导航设备的正常使用带来较为严重的影响。
而人为干扰通常则是指因为周边的环境凭借耦合或者辐射所形成的能够对电子电路设备所产生的干扰。该种类型的干扰主要是凭借电源线路、接地线以及信号线进入到了电子电路系统,其余的有各种电气设备所造成的电火花、电气设备打开或者关闭以后对电子电路所引起的干扰。针对以上干扰类型,技术人员需要避免彼此有着较大干扰性的电路使用相同一根地线。简单地说,就是需要杜绝弱电电路与强电电路、模拟电路和数字电路共同使用一根地线情况的产生。另外,使用到电子电路的器材设施对于环境温度有一定的适应范围,在这个范围当中进行工作同样十分重要。
(2)电源干扰和处理办法。综合来说,电源干扰就是电源针对电力所产生的干扰现象。产生这一现象的原因,一般是因为直流电没有妥善进行滤波处理、电源电压不稳或者是在电源变压器当中所产生的交流电所引起的。技术人员在针对性选择处理方法是需要根据具体的状况开展分析,之后使用对应的处理方法。一般情况下,对电源干扰的防治,一般是使用的下列两种办法:第一种办法是在电源的输入端口安装一个线路滤波器,由此形成共模电感。具体的操作方式是将两个线圈按照同一个方向缠绕在相同的一根磁芯之中,让这两个电感针对主电流与差模电流所形成的磁通彼此抵消、使得磁芯在设备使用的过程中不会发生饱和现象。第二种办法是使用带有屏蔽的变压器、若在初级和次级之间进行屏蔽层的安装,同时让他们有较为良好的接地。就能够实现降低输出端干扰电压的目的,因为屏蔽层不会对变压器在能量传送的过程中造成任何的不良影响,但是却可以对绕组间的耦合电容产生影响。
(3)地线干扰和处理办法。若地线在安装的过程当中,没有进行周密的布置,让地线叠加的干扰电流与干扰电压超出了电路的噪音的容量限制,就会对电路的输入端部分造成严重的干扰。所以,针对电子电路来讲,接地的方式有着重大的意义,地线所形成的干扰可以分成公共阻抗耦与地环路干扰。去除公共组耦合干扰的办法是降低公共地线部分的抗阻,凭借这种办法降低公共地线上的电压,由此实现对公共阻抗耦合的效果。而减小环路干扰的办法,可以凭借把一段的设备浮地与使用变压器完成设备的连接来完成。
2 电路内部干扰和处理办法
(1)瞬态电力干扰和处理办法。瞬态电流指的是在电流过渡阶段所产生了、TTL集成电路在状态转换过程中所产生的尖峰电流、负载电流在充电以及放电过程中所产生的瞬变电流等。通常情况下、瞬态电流所造成干扰与工作速度之间是呈现的正比例关系。瞬态电流在瞬间电流十分强大,在增强电流功耗的过程当中还能够对电源形成干扰。针对这一问题,技术人员可以使用电源去耦的办法来对瞬态电流进行控制,具体的操作方式是:首先把两个电容并联连接到地线与电源线当中,连接需要遵循电源线上干扰尖峰不会对逻辑原件的输出状态产生影响的原则。在布线的过程之中,连接线的长度需要最大程度的减小。在遇见大电容负载时,技术人员需要使用串联限流的办法来对电阻进行保护,杜绝在电压降低或者电源关闭时,产生电容上电压超过电源电压的状况。因为集成电路的不用输入端会在其中产生类似于天线的效果,所以对于时序电路来说,瞬态电流会让电路在运转的过程中发生错误动作,因此不用的eIC输入端一定要进行接地处理或者和信号端进行并联。
(2)反射和处理办法。人们可以将数字电路当中的互联导线当做是传输线,所以,在当门电路的信号传输线长度超过1米,同时下降与上升时间低于1ns时,技术人员就必须将信号的反射纳入到干扰产生的原因范围、在输出元件、接受元件、传输导线之间抗组不配适时都有可能会出现反射信号。并且因为长度较大的输入线分布电容电感都相对很大,会导致信号在传输过程当中发生震荡或者延迟现象,致使信号波形出现问题,由此导致电路动作产生错误。
对这种问题,可以使用以下的办法进行处理:首先是最大程度的降低短接线的长度;再有就是所使用的距离较长的传输线可以利用阻抗匹配的办法,就是凭借在输入端当中串联入一个电阻,让它们的阻抗能够达到相互匹配的状态。值得注意的是,只要不对系统的特点造成破坏,合理的增加或者降低时间,也可以有效降低干扰。
(3)其他。综合上文观点,电子电路的干扰主要是由内部因素和外部因素构成。但是,还有很多造成电子电路干扰的现象,并不能使用内部原因和外部原因进行归纳。针对这一些干扰仍有一些较为常用的使用办法,例如在每一块集成电路芯片当中的电源和引入端当中,连接一个无感瓷片电容器等,这一些办法便能够有效降低其他方面的外来干扰。
3 结束语
伴随着电子电路在我国的使用范围不断增加,针对电子电路的抗干扰研究便成为了相关科研技术人员需要重点研究的一问题。有效针对不同原因的电子电路干扰现象进行抑制,对于我国各行各业的健康蓬勃发展,有着重大的意义。
参考文献:
【关键词】电子电路;故障检测;技术探析
由于科技不断向前发展,电力电子技术也在不断的发展。电力电子技术主要应用在电力领域。在电路系统中,电子电路常被用作执行机构或是电源,而电源系统是动力控制的主要构成部分。整个系统的运行效率取决于电子电路运行的安全性。为此,诊断电子电路故障,有利于提高设备的稳定性。
1常见故障探析
电子电路故障种类较多,引起故障的原因较复杂。像感应干扰、直流电源滤波不佳等故障是由于信号干扰所引起,像电源配合不佳、晶体管的选择等故障是由于设计错误所引起。这些故障都是受多种因素相互作用而成。还有些故障是电压不能调整或是稳定电压为电压输出所引起。
2检测故障方法
2.1直接观察法直接观察法主要是通过人的五感(视、听、嗅、触)来发现问题。该方法不需要改动电路接线,也不需要借用各种仪器就可以检测故障。直接观察法检测故障包含通电观察和不通电检查两种。在通电时,要观察是否有高压打火以及元器件是否有冒烟、发烫等情况。在不通电时,要检查印刷版是否有断线以及引脚(二极管和三极管的引脚、集成电路的引脚)是否有互碰、漏接、错接等情况。对于不是很隐蔽的故障,该方法操作简单,可作初步检查故障之用。2.2对比法对比法就是在相同的参数下,将怀疑的电路同正常电路进行对此,以此检查电路的参数和工作状态是否正常的一种方法。参数包括理论分析的波形、电压、电路等。通过该方法,就可以找到电路是否有不正常情况,从而分析出故障原因。2.3替换法像集成电路性能下降、电容器漏电等故障不是很明显,也不易被发现,这就给检测故障带来了困难。这时就需要使用替换法。替换法就是将有故障的器件替换成同型号的器件,将替换后的器件放入仪器中的方法。该方法可以将故障的范围缩小,便于查找故障。2.4信号寻迹法信号寻迹法就是通过逐级观察幅值以及波形的变化情况,以此来检测电子电路是否有故障的方法。幅值与波形的变化情况需使用示波器来进行观察。若是哪一级不正常,就表明在此级有故障。用该方法检查时,从输入端或是输出端都可以进行。但需注意一点,寻找故障前首先要将反馈回路断开,防止出现一个元器件出现故障,整个回路都有故障的现象发生。当系统成为一个开环系统时,接入合适的输入信号,就可以找出有故障的元器件。2.5参数测试法参数测试法主要靠仪器来检测故障。该测试法主要包括两种,一种是通电测试法,另一种是断电测试法。通电测试法是在通电时,使用仪器,测量电路中支路电流或各点电压的一种方法。用该方法可检查集成器件的静态参数是否满足要求,管子静态工作点是否正常等。为了便于分析故障,检查静态工作点选用的仪器是示波器。选用示波器的好处在于不仅能看到被测点的信号波形以及直流工作状态,还能看到噪声电压以及可能存在的干扰信号。断电测试法是在断电时,使用万用表仪器(欧姆档),测量元器件或电路的电阻值,当测得值同正常值相差较大时,从而判断故障的一种方法。用该方法可检测线路中的电阻值,电路中的焊点、连线等是否断路等。2.6旁路法当电子电路有去耦电路以及电源滤波故障时,就可选用旁路法。该方法就是通过选择适当的检查点来检测故障。当电路中产生自激震荡现象,在检查点与参考接地点之间暂时跨接上电容,观察其反应。若是震荡消失了,就说明震荡在前级电路或是在此附近,反之,则在后面,再移动检查点寻找即可。2.7分割测试法分割测试法,顾名思义,就是将整个电路分割成若干个小块,分别测试的一种方法。分割电路既可以根据电路的结构划分,也可以根据功能划分。分割测试法首先需找出故障所属区域,然后再找出具置。像有反馈的电路,其有一处故障,整个回路都会有故障。因此,首先要做的是将反馈回路打开,将反馈环去掉。然后一级一级的检查,从而找出故障。该方法对于检查短路故障最为有效,能逐步缩小故障范围。以上介绍的7种检测方法在日常检测故障中较常用。实际上,远不止这七种检测方法,还有许多检测方法。在检测故障过程中,要根据电路故障的实际情况来选择适合的检测方法。像简单的故障,选用一种就可以使问题得到解决,但对于复杂的故障而言,这几种方法并不是独立的,是可以相互配合和补充的。
3排除故障应注意的问题
影响检测故障结果的因素有两个:一是检测精度;二是检查正确与否。就拿软故障来说,要想保证检测结果正确,就必须提高检测精度,缩小测量误差。在检测过程中,要特别注意4点:一是调试时出现故障,要认真检查线路,尽量避免对线路的重安装。这是因为即使重安装,问题仍可能存在。若是原理上的问题,重新安装,问题也得不到解决。二是在检查过程中,除仔细测量和观察外,还需做记录。大量的记录有助于同理论结果进行对比,从而发现问题。三是尽量选择简单、易行的测量方法。如,测量某电路的电流,可先测量电压。测量电压不需要对被测电路进行改动,相对简单。四是使用测量仪器时,要注意接地端的使用。在使用带有接地端机壳的电子仪器,需将其接地端同放大器的接地端相连接。这是因为放大器的工作状态会因仪器机壳引入的干扰而发生变化,从而导致测量结果有误。每次查找、分析故障都是一个好的锻炼机会。只有不断的去实践,分析和解决问题的能力才能不断提高。
4结语
电子电路的调试与应用过程中,难免会发生不同类型的故障,只有通过及时地将发生故障排除,才能够达到电子电路预定技术目标。由上可知,电子电路故障种类较多,引起故障的原因较复杂,只有采取有效地检测方法,才能找出故障、排除故障。
参考文献
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[2]王恩亮,沈元隆.基于神经网络的混合电路故障检测[J].通信技术,2010(06).
一、理顺学习任务内容,编写对应教材
理顺学习任务的具体内容,能使教师思路清晰,能为编写对应教材做准备,学习任务内容的确定紧密围绕电子电路课程的学习目的,突出知识点和技能点,将知识点贯穿于项目任务中,注重读图、识图、绘制电路图、电路分析等能力的培养,避免过多公式推导。以项目一任务一为例,学习任务内容序化表见表2。理顺学习任务内容后,开始着手编写教材即工作页。工作页的应用,能够让学生熟悉完整的工作过程,让学生在学习到专业知识和技能的同时,还能获得职业方法。工作页的编写应突出教师引导的地位,坚持以学生为中心,引导学生自主学习,自主查找资料完成任务。知识点以问题形式出现,问题设置有技巧,从而引导学生自己探索。不同任务工作页的编写可以有不同的形式或步骤,如元器件的识别可以从问题引导开始,从元器件分类,到元器件识别都列出清单,最后到元器件检测;再如制作LED循环灯,可以从接受任务开始,由小组讨论制订计划,做出决策确定电路图,然后实施制作LED循环灯,最后评价反馈总结。
二、配备电子一体化教室,完善教学设备
为了顺利开展一体化教学,配备电子一体化教室,完善教学设备是非常有必要的。电子一体化教室设置有书写投影幕布、工作与讨论区、工具教具区、资料查询区、作品展示区等。教学设备需要购买的有:电烙铁、尖嘴钳、万用表、示波器、信号发生器、面包板、各种电子元器件、收音机套件、手机万能充电器套件、万能实验印版等。在这里,特别需要提及的设备是面包板,面包板是一种多用途的万能实验板,可以将小功率的常规电子元器件直接插入,搭接出各种各样的实验电路。学生可以通过搭接各种电路,了解各种电路的功能和进行电路功能调试。面包板对于学生学习电子技术基础课程有很大帮助,而且购买的价格低,可以重复使用,大大节约了成本。
三、以学习任务为载体,进行课程教学
一体化课程教学,以学习任务为载体,以学生为主体,教师为引导,采用任务驱动教学法,激发学生学习兴趣。按照项目教学、教学做合一、理论和实践一体化模式组织教学。在教学过程中,采用分组教学,将学生按照每6人一组进行分组,组织每组学生共同分析任务,制订计划,做出决策,独立完成个人任务,共同评价,这样能让全体学生参与到学习当中。在学习过程中,培养学生的团结合作、互相协助、共同探讨的习惯,并且提高学生的沟通能力和解决问题的能力,培养学生良好的职业能力。
四、注重学生学习效果评价,创新考核评价方法
1.1模式单一,内容陈旧。通常情况下,实验是按照教学的内容来进行的,在具体的实验当中,应该以实验教学的计划为主,并且有步骤地进行。其中,实验参数被选定之后,学生应该按照任务的要求来连接电路,将实验的数据进行明确,最后写出实验的报告。但是从现如今的电子电路开发研究的实验中可以看出,实验的模式还相对比较单一,实验内容和传统的实验方式之间没有多大的差异。因此,这种情况应该得到改进和完善。
1.2学生缺乏自行设计的机会。在具体的电子电路实验中,很多实验线路都是事先完成的,学生们很少会经过自己的思考来找到实验中出现的问题或者是对已有的线路进行质疑。可见,学生们自主实验的能力还不够强。在以后的电子电路开发实验中,学生们需要对电路的原理以及具体的实验方式等进行改进和完善。深入地掌握实验技能,培养自身的实验能力。
1.3对实验资源的利用率明显不够。为了提升实验的精准性和高效性,对学生实验能力进行高度培养,各大院校都对实验装置和实验资源进行了完善。但是在具体的实验中,很多教师不去应用这些先进的实验器具,仍然采用传统的实验方式。在实验的过程中,学生们仍然表现得很被动。对一些先进仪器的使用方式还不够了解。
1.4实验室的开放程度不高。很多学校的实验室并不是随意开放的,有些只有是学校的学生和研究人员才可以进入。从实验的过程中可以看出,很多实验都是局限在教学计划当中。可见这种现象的长期存在严重地影响到实验的科学性。在电子电路实验中,教师应该充分地发挥自身的引导作用,提升学生的自主学习能力。
2研究内容
2.1打破传统实验室的管理模式。很多院校的实验室,并没有充分地应用实验室的整体功能。事实上,实验室应该变成打造学生技能的重要平台,同时还应该积极地培养学生自身的积极主动性。在打破传统实验室管理局限的过程中,研究人员应该从课题方面入手,做到从简单到复杂,再到创新。实验室的管理模式应该符合学生们的发展和学习特点。加强学生们之间的交流。
2.2基础项目研究。电子电路实验本身就是一种实践性相对较强,对学生们的专业知识以及操作能力提出较高要求的实验内容。学生们应该掌握各类电子元器件的工作原理,同时对测量方式以及各类电路的模型等进行明确。根据学生们自身的兴趣和特长来尝试创新实验。提升项目研究的科学性。
2.3创新性项目研究。一般情况下,创新性项目研究又被人们称为创新型教学。主要是对实验的创新性进行研究和分析,将教学内容和实际的教学方式相结合。现如今,创新实验是每个学生和教师遇到的一项重要挑战。在进行的过程中需要根据电子专业的特点来完善教学的实践活动。其中比较典型的就是对PNP以及NPN三极管电流的设计实验,需要涉及到光控传感器,设计成可控性的演示电路,然后设计成COMS集成电路特性,提升电路的仿真实验性。对创新性项目进行研究,不仅可以提升学生们的创新能力,还可以为实验学的发展奠定基础。
3课题研究的创新点
3.1理念创新。打破以往教学模式,创新地提出以学生为主体,教师辅导为辅的教学模式。充分利用学院现有的实验教学资源,挖掘学生自主学习的潜力,提高学生自主学习的能力。旨在通过少数带动多数,从而带动整个学院的创新氛围。
3.2管理创新。以“学生助理”为主体的管理模式是实验室管理的一大特点。学生助理分为日常管理助理、材料管理助理和仪器管理及教材整理助理。每年的学生助理从学生班级中选拔优秀学员,成立“课题小组”,培养学习骨干,作为教师指导教学的学生助理。通过培养学习助理,相互探讨协作,成为一支具有团结创新特色的学生创新人才队伍。
3.3“活动内容”创新。“小组人员”主要是利用课余时间进行活动,活动地点是实验室,每周活动次数由课题教师统一组织和安排。活动内容主要有三项:①课题设计制作:在课题老师指导下,自主开发一些课题设计,组织学生进行有关光电传感器及其应用技术、电工和电子技术、单片机技术,研究各种物理量和电参量的测量及信号处理方法、掌握数字电路及模拟电路在生产技术中的应用,探索计算机和单片机通信技术在测控系统中的应用等;②调查了解各组所遇到的技术问题、材料问题和仪器工具问题。然后助理们在一起讨论,提出解决问题的方案;③正确掌握实验仪器的使用,负责实验准备,设备维护和维修工作。
4典型实验研究
实验装置可通过声光传感器将声光信号送给功放电路及可控硅导通电路分别将声光传感器的导通特性通过1组发光管进行形象演示,使学生对声光传感器件的特性加深了理解。
【关键词】电子电路;Protues;实践教学改革
电子信息类应用型本科学生的工程实践能力和创新思维的培养已经成为人才培养规格的一个重要的标志和特征。各高校正在探索如何加强实践性教学环节,从而培养学生创新精神和实践能力。其突破口和侧重点各个高校都有不同的作法和经验。
为此,邵阳学院信息系电子信息工程专业(首批湖南省特色专业)教研室与电子工程实践教学中心(湖南省级示范实践教学中心)强强联手,推进电子信息工程专业的实践教学改革和研究,进行“开放实验室环境下的电子电路测试与仿真实验教学的研究与实践”项目研究,对独立开设的实验课程电子电路测试与仿真,进行实验教学内容、方法、手段、教材等方面的改革研究和“虚”“实”结合的特色化教学实践。
1.电子信息工程专业实践教学体系
根据电子信息工程专业(以下简称电信专业)自身的条件和特点,构建分模块多层次的实践教学体系:以培养实践动手能力强、专业特色明显、具有创新思维能力的高素质应用型人才为目标,建立分模块、多层次、相互衔接行之有效的实践教学体系。
表1所示把工程实践能力和科研创新能力的培养划分为“基础实验专业实验能力训练科创研究”四个层次,每一层次能力逐级提升, 相互衔接,上下融合。
表1 电子信息工程专业实践教学体系
实践环节 依托平台 能力培养 性质 参与学生比例
基础实验
专业实验
电子工程基础训练 基础实验平台
专业实验平台 专业技术及技术实践能力 教学计划内 100%
综合实验
课程设计 专业实验平台 实践应用能力 教学计划内 100%
实训、实习
毕业设计 实训实习平台
创新科研平台 工程实践能力 教学计划内 100%
创新研究
科研参与
学科竞赛 创新科研平台 创新能力,科研、技术开发能力 教学计划外 优胜劣汰,考核选拔,保持适当比例
2.电子电路测试与仿真课程的实验教学研究
根据本科教学计划要求和实践教学体系结构,电信专业自2012年对课程设置做了较大修改和调整,提高了实践教学环节所占比重,增加了独立开设的实验课程数目,突出了实践教学重要性。将电子技术基础课程(包含电路分析、模拟电子技术和数字电子技术三门课程)的实验教学内容独立出来,开设两门独立实验课程电子电路测试与仿真和现代电子系统实验。
电子电路测试与仿真课程,处于实践教学体系的第一层次,施教于第二学期,将电路分析和模拟电子技术理论知识应用于实践,要求学生了解电子电路测试与仿真基本方法;掌握典型电子电路的功能、工作原理、设计方法;掌握使用软件绘制电子电路原理图,并会利用仪器仪表进行电子电路测试和检测。熟悉使用软件对电子电路进行指标测试和功能测试。
电子电路测试与仿真课程的实验教学内容可划分为三大模块:元器件模块、单元电路模块、综合电路模块。在实践教学中充分应用现代技术与方法,对课程教学采用多媒体技术授课,课件上传到网络学习平台,供学生自主学习。在选择实验手段时,注重虚拟仿真技术的应用,形成个性化分层次实施实验及“虚”“实”结合的特色化教学实践。
具体实验项目内容如表2所示。
表2 电子电路测试与仿真课程实验项目
模块 实验项目
元器件模块 电容元件、电感元件、电阻元件、二极管元件、三极管元件、集成电路等
单元电路模块 滤波电路、整流电路、比较电路、稳压电路、电流放大电路、电压放大电路、功率放大电路、振荡电路、反馈电路、谐振电路、模拟运算电路等
综合电路模块 串联型稳压电源电路、三端稳压电源电路、三端可调电源电路、开关电源电路、信号发生器电路、组合电源电路、红外线收发电路组件等
根据培养目标和实验项目内容,在具体的实验实施过程中把整个课程实验分为5个层次对学生进行训练:第一层次是验证性实验,第二层次是设计性单元电路,第三层次是综合电路实验,第四是功能电路设计实现,第五层次是对指标和性能提出较高要求的项目训练。
第一、二、三层次要求所有学生必须参加,而第四、第五层次是针对学习进度快、基础扎实、动手能力强、学习效果好、兴趣爱好浓的学有余力的学生开设的,先要求学生进行模拟软件设计电路、仿真、测试,再进行硬件实现,利用仪器仪表完成功能测试和指标测量。实验课程教学灵活地采用集中指导、自主训练和项目驱动等教学方式,使学生逐步形成学生自主式、合作式、研究式为主的学习方式。
3.Protues在电子电路测试与仿真中的应用
Protues 是指一种现代化通用电路分析软件,广泛应用于电子线路计算机辅助分析和设计。如今,高版本的Protues 能够对模拟电子线路从三个层面进行分析――直流、瞬态、交流,还能对数字电子电路和数模混合电路进行比对分析[6]。
采用Protues仿真软件进行电子电路测试实验,具有比较明显的优势,例如涉及到的实验内容全面,可涵盖表2三大模块的几乎所有实验项目内容,实验投入少元器件损耗小,学生可自行实验,不受实验室硬件条件限制,与工程实践最为接近,对元器件的参数设置和改变电路连接非常灵活,便于实现不同功能电路的指标和性能要求。在实验过程中,学生先进行仿真实验,再在硬件平台上进行验证,完成第一、二层次的实验项目,而对于第三层次的项目,要求学生完成仿真设计和测试,然后学生可以进行更高层次的创新设计和开发项目的研究。
Protues在电子电路测试与仿真中的应用,具体体现在以下几个方面:
(1)可对所有实验内容进行实验仿真操作,仅仅只需一台电脑安装Protues软件,而元器件成本几乎为零。
(2)能在不变换电路元件的条件下,仅仅通过改变电路参数来改变电路的性能,实验结果非常直观,而实验过程简便,实验损耗几乎为零。
(3)Protues提供了几乎所有电子仪器――示波器、扫频仪、逻辑分析仪、器件特性分析仪及信号源等。学生直接可以获得各种实验结果,如输入输出波形、频率特性曲线、动态变化曲线等。
(4)对于设计性、综合性实验项目及对指标和性能提出较高要求的项目,可对学生的方案进行设计和仿真测试,验证方案是否可行,便于方案的修改和调整。
(5)PCB的自动布线功能,能实现从原理图到PCB图的转换,为电路的硬件实现提供了方便。
(6)学生通过Protues仿真实验,积累大量电路原理图和功能仿真、性能测试的经验,为综合电路模块的项目实验甚至为未来创新能力,科研、技术开发能力的提高奠定非常好的基础。
(7)能将学科竞赛培训的部分内容融入到实验课程的训练中进行。
4.教学效果
我们对独立开设的实验课程电子电路测试与仿真,在开放实验室环境下进行实验教学内容、方法、手段等方面的改革研究和“虚”“实”结合的特色化教学实践。实践教学取得很好成效。(1)使得实验课程能够吸引学生产生浓厚的学习兴趣,且使得学生对于电子电路方面的研究分析与模拟仿真能力得到大幅度的提升;(2)学生实践动手能力、综合知识应用能力、创新意识与思维能力得到提高;(3)形成了一个具有较强实践能力和实践教学指导的师资队伍,提高了教师进行实践教学和科学研究的能力;(4)成为竞赛培训的重要一环,促进了学生竞赛成绩的提高。近三年,学生参加全国电子竞赛、应用型人才技能竞赛及科技作品竞赛,获得国家二等奖1项、三等奖1项、优秀奖3项,获省级一等奖3项、二等奖6项,三等奖12项,优秀奖7项。
根据电信专业自身的条件和特点,对多年的实践教学经验和成果进行总结,进行了“开放实验室环境下的电子电路测试与仿真实验教学的研究与实践”项目研究。虽然教学改革取得了一定成效,但是还存在或多或少的问题和缺点,还有待进一步改革探索,还需通过实践不断加以检验和完善。
参考文献
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[2]丁保华,陈军.建立相对独立的实验体系,深化实验教学改革[J].实验技术与管理,2007,24(4):22-23,44.
[3]郭伟良,陈雪芬,周永灿.创新实践教学体系构建与实践[J].海南大学学报自然科学版,2014,32(1):97-101.
[4]陈冠玲,马文新,胡志华.应用型电类专业的实践教学体系构建[J].电气电子教学学报,2011,33(2):61-62
[5]尹仕,肖看,王贞炎.全开放的创新性实践教学体系构建[J].实验室研究与探索,2013,32(11).
[6]刘建海,方晓群.Protues仿真软件在电子实训课程中的应用[J].电子制作,2014(6):115.