一种万用表使用练习系统及其方法

1.本发明涉及万用表使用练习辅助教学系统，具体是一种万用表使用练习系统及其方法，属于电子技术和计算机技术领域。


背景技术：

2.万用表是最基本、最常用的电子电路测量工具，正确、熟练使用万用表，可明显提高电子电路调试速度。但由于练习不足等原因，高职高专电类学生普遍不能正确、熟练使用万用表。一是表现在测电压、电流时，红表笔没有正确选择插入万用表“v”、“a”或“ma”端中的一端，红黑两表笔没有正确选用并接或串接方式接入电路。二是表现在不会选择档位，导致无法测量或测量精度低。由于学生常错误使用万用表，也常导致实验室万用表损环，增加学校办学成本。为了培养高职高专电类学生的万用表使用技能，有必要开发一个万用表使用练习系统，提供给学生作万用表使用练习。
3.在万用表使用练习系统的开发过程，面临最大的技术困难是：系统如何判断学生对万用表的操作是否正确。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种万用表使用练习系统及其方法。本发明的技术思路为：
5.开发若干练习电路单元，每一单元提供一个练习电路，练习电路的元件参数随机变化，且元件参数隐藏，然后随机指定电压项或电流项作为练习项，要求用户使用万用表测量出指定电压项或指定电流项的值；开发万用表单元，使其具电压和电流测量功能；开发电路绘图模块，使其具绘制、编辑电路功能；开发仿真运算单元，使其具建和解节点电压方程组的功能。
6.练习时，系统自动调用仿真运算单元，对万用表接入前的练习电路进行仿真运算，获取练习电路的全部节点电压值，由节点电压值获得指定电压项的值，由节点电压值换算出指定电流项的值，将所得的指定电压项和指定电流项的值记录为参考答案。练习时，用户完成万用表的操作后，用户启动仿真运算按钮，系统再次调用仿真运算单元，对练习电路再次进行仿真运算，从而获得万用表接入后的全部节点电压值，万用表单元从中提取数据，显示测量结果。用户将万用表显示值作为练习答案输入。系统比对第一次仿真运算记录的参考答案和第二次仿真运算后用户输入的练习答案，若结果相同，判定用户本次正确操作万用表，否则，判定用户本次错误操作万用表。
7.本发明的具体技术方案为：
8.一种万用表使用练习系统及其方法，所述系统包括人机交互单元、练习电路单元、万用表单元和仿真运算单元，其中：
9.人机交互单元含电路绘图模块、练习项随机指定模块、练习项说明模块、练习答案输入模块、参考答案提取模块和答案比对模块，练习项随机指定模块的输出端一路连接至
练习项说明模块，另一路连接至参考答案提取模块的一个输入端，练习答案模块连接至答案比对模块的一个输入端，参考答案提取模块的输出端连接至答案比对模块的另一个输入端；
10.练习电路单元含元件参数约束集、元件参数随机产生模块、电路元件集和电路连线集，元件参数约束集连接至元件参数随机产生模块的输入端，元件参数随机产生模块的输出端连接至电路元件集的输入端，电路元件集的输出端一路连接至人机交互单元的电路绘图模块的一个输入端，另一路连接至人机交互单元的练习项随机指定模块的输入端，电路连线集的输出端连接到人机交互单元的电路绘图模块的另一个输入端；
11.万用表单元含仪表操作模块、测量等效电路模块、测量数据提取模块和测量显示模块，仪表操作模块一路连接至测量等效电路模块的输入端，另一路连接至测量数据提取模块的一个输入端，测量等效电路模块的输出端连接至人机交互单元的电路绘图模块的另一个输入端，测量数据提取模块的输出端连接至测量显示模块；
12.仿真运算单元含元件线性变换模块、节点统计与编号模块、建节点电压方程组模块、解节点电压方程组模块，元件线性变换模块的输入端连接至人机交互单元的电路绘图模块的输出端，元件线性变换模块的输出端连接至节点统计与编号模块的输入端，节点统计与编号模块的输出端连接至建节点电压方程组模块的输入端，建节点电压方程组模块的输出端连接至解节点电压方程组模块的输入端，解节点电压方程组模块的输出端一路连接至人机交互接口单元的参考答案提取模块的另一个输入端，另一路连接至万用表单元的测量数据提取模块的另一个输入端。
13.一种万用表使用练习系统及其方法，所述方法包括如下步骤：
14.(a1)选择练习电路单元，用户从练习库，选择一个练习电路单元进行万用表使用练习；
15.(a2)元件参数随机产生，系统调用元件参数随机产生模块，在上步骤所选练习电路单元的元件参数约束集的限定范围内随机产生元件参数，将随机产生的元件参数送至电路元件集；
16.(a3)练习项随机指定，系统调用练习项随机指定模块，从上步骤所得的电路元件集内随机指定电压项或指定电流项作为练习项；
17.(a4)练习项说明，系统调用练习项说明模块，将上步骤所指定的练习项，以文字方式说明练习项要求；
18.(a5)绘制电路，系统调用电路绘图模块，利用步骤(a2)所确定的电路元件集和步骤(a1)所得的电路连线集，绘制电路，并将电路送至电路仿真运算单元；
19.(a6)电路仿真运算，系统调用仿真运算单元，进行电路仿真运算，获知全部节点电压；
20.(a7)参考答案提取，系统调用参考答案提取模块，从上步骤所得节点电压，提取出步骤(a3)所确定练习项的参考答案；
21.(a8)万用表使用练习，用户通过电路绘图模块，调出万用表，根据步骤(a4)的练习项说明，将万用表的红黑两表笔接入电路，通过万用表的仪表操作模块，选择档位；
22.(a9)电路仿真运算，用户点击仿真按钮，系统对接入万用表的电路进行仿真运算，获知全部节点电压；
23.(a10)测量数据提取，系统调用万用表单元的测量数据提取模块，从上步骤所得的节点电压信息，提取万用表显示数据；
24.(a11)测量结果显示，系统调用万用表的测量显示模块，显示上步骤所得的电压或电流数据；
25.(a12)重新练习选择，用户根据万用表的显示，判断本次练习是否正确，若认为不正确，返回步骤(a8)，若认为正确，进入下步骤；
26.(a13)用户答案输入，用户通过练习答案输入模块，将步骤(a11)万用表显示值作为用户答案输入；
27.(a14)答案比对，系统通过答案比对模块，将上步骤所得的用户答案和步骤(a7)所得的参考答案进行比对，判断用户本次练习的对错，然后给出提示。
28.在上所述步骤(a6)和(a9)的电路仿真运算，包括如下步骤：
29.(b1)元件线性变换，系统调用元件线性变换模块，接收人机交互单元的绘图模块送来的电路，若电路含二极管、三极管等非线性元件，把非线性元件变换为线性元件的组合，最后将全由线性元件组成的等效电路送给电路节点统计与编号模块；
30.(b2)电路节点统计与编号，系统调用节点统计与编号模块，统计上步骤所得的等效电路的节点数量，按序分配节点编号，记录每一元件引脚所属节点的编号；
31.(b3)建节点电压方程组，系统以上步骤所得节点编号的未知电压为变量，采用节点电压法，建节点电压方程组；
32.(b4)解节点电压方程组，采用迭代法，求解上步骤所得的节点电压方程组，获电路方程组的数值解，从而获知电路全部节点电压值。
33.本发明的有益效果：将本发明用于高职高专电类学生的万用表使用练习，可快速提高学生的万用表使用技能，减少实验室万用表的损坏率，降低办学成本。
附图说明
34.图1系统组成框图。
35.图2万用表的外观。
36.图3万用表单元的测量等效电路。
37.图4练习电路的界面例。
38.图5调出万用表的界面例
39.图6正确测量电压例。
40.图7正确测量电流例。
41.图8电压档位选择不准确例。
42.图9电流测量时两表笔错误接入电路例
具体实施方式
43.下面结合附图，对本发明作进一步描述，以便更好理解本发明。
44.图1为本发明的系统组成框图。系统包括人机交互单元、练习电路单元、万用表单元和仿真运算单元。
45.练习电路单元提供练习电路，其元件参数约束集存放部分电路元件(如电阻)的参
数的变化限定范围，元件参数随机产生模块负责在元件参数约束集的限定范围内随机产生元件参数，使练习电路成为动态电路。电路元件集存放练习电路的每一元件的类型、坐标、参数等信息，电路连线集存放练习电路的每一电气连接线的起点、终点坐标信息。
46.人机交互单元的电路绘图模块给用户提供绘制电路图界面和交互接口，并负责电路图绘制。练习项随机指定模块用于随机选择练习项，如指定测量某电阻的电压或某二极管的电流作为练习项，练习项说明模块用于说明练习项的要求。练习答案输入模块给用户输入答案，参考答案提取模块用于提取参考答案，答案比对模块用于判断用户练习的对错。
47.仿真运算单元用于电路仿真运算，以获知电路节点电压集，人机交互单元的参考答案提取模块，从中提取参考答案。
48.图2为万用表外观。万用表为3位半数字万用表，最大显示1999。结合仿真运算单元，万用表单元具直流电压和直流电流测量功能，直流电压分2000v、200v、20v、2v和200mv档，直流电流分20a、200ma、20ma和2ma档。左边空心表笔红表笔，默认插于“v”端，右边实心表笔为黑表笔，默认插于“com”端。
49.图3为万用表单元的测量等效电路，其中，r_v为电压档的等效电阻，取r_v阻值足够大，使电压测量时万用表的分流可忽略。r_a为20a电流档的等效电阻，r_ma为ma电流档的等效电阻，取r_a和r_ma阻值足够小，使电流测量时万用表的分压可忽略。
50.万用表单元的测量数据提取模块，负责从仿真运算所得的全部节点电压，提取出测量电压或电流数据，然后送测量显示模块，具体过程如下：
51.若档位置于电压档，先计算出r_v下节点与上节点的电压差verr，再根据不同电压档，对电压差verr作不同的精度取舍。档位分别为2000v档、200v档、20v档、2v档时，电压差verr分别保留0位、1位、2位、3位小数，单位都为“v”。电压档为200mv档时，将电压差verr＝verr*1000，再保留1位小数，单位由“v”改为“mv”。
52.若档位置于20a档，先计算出r_a下节点和上节点的电压差verr，再由式i＝verr/r_a计算出电流i，电流i保留2位小数点，单位为“a”。
53.若档位置于其它ma档，先计算出r_ma下节点和上节点的电压差verr，再由式i＝1000*dv/r_ma计算出电流i，再根据不同电流档，对电流i作不同的精度取舍。档位分别为200ma档、20ma档、2ma档时，电流i分别保留1位、2位、3位小数，单位都为“ma”。
54.实施例：以下结合图4～图9对本发明的应用进行详细说明。
55.图4为练习电路的界面例，用户选择、打开一个练习电路单元后的界面。在元件参数约束集，电阻r1～r4随机变化范围都限制在50～100欧姆。本次练习，经元件参数随机产生模块作用，选择r1＝56、r2＝69、r3＝78、r4＝70。电阻r1～r4的阻值参数不可见，避免用户通过理论计算获取答案。经练习项随机指定模块作用，指定输出电压vo的电压和电阻r4的电流为练习项。
56.系统自动调用仿真运算单元，依序调用元件线性变换模块、节点统计与编号模块、建节点电压方程组模块和解节点电压方程组模块，获得全部节点电压的数值解。本例，电路无二极管、三极管等非线性元件，元件线性变换模块没有起作用。
57.人机交互单元的参考答案提取模块，从全部节点电压值，先取出输出电压vo的正端对应节点的电压vn1，再取负端对应节点的电压vn2，计算电压差verr＝vn1-vn2，依据电压差verr的绝对值作不同的精度取舍，规则如下：
58.0《|verr|《0.2vp＝4
59.0.2v《＝|verr|《2vp＝3
60.2v《＝|verr|《20vp＝2
61.20v《＝|verr|《200vp＝1
62.200v《＝|verr|《2000vp＝0
63.其中，p为保留小数点的位数。本例，dv＝0.3951v，p＝3，保留3位小数点，系统记录“0.395”作为输出电压vo的电压的参考答案。
64.参考答案提取模块，又从全部节点电压值，取出电阻r4的上节点电压vn1和下节点电压vn2，计算电压差verr＝vn1-vn2，再由i＝1000*dv/r4计算电阻r4的电流，电流i单位为“ma”，再对电流i作不同的精度取舍，规则如下：
65.0《|i|《2map＝3
66.2ma《＝|i|《20map＝2
67.20ma《＝|i|《200map＝1
68.若200ma《＝|i|《20000ma，则使i＝i/1000，电流i单位改为“a”，p＝2。
69.本例，i＝33.783ma，p＝1，保留1位小数点，系统记录“33.8”作为电阻r4电流的参考答案。
70.图5为用户调出万用表后的界面例。
71.图6为正确测量电压例。用户用万用表，练习测量输出电压vo时，选择2v电压档，移动红表笔并接于输出电压vo的正端，黑表笔并接输出电压vo的负端，点击“run”按钮，系统启动仿真运算，万用表显示0.395v。用户将万用表显示的0.395输入，系统记录“0.395”作为用户的练习答案。
72.图7为正确测量电流例。用户用万用表，练习测量电阻r4电流时，用户选择200ma档，红表笔由插“v”端改插“ma”端，断开电阻r3与r4间的电气连接线，将红黑表笔串接于电阻r3与r4间。点击“run”按钮，系统启动仿真运算，万用表显示33.8ma。用户将万用表显示的33.8输入，系统记录“33.8”作为用户的练习答案。
73.用户输完两答案后，点击“提交”按钮，系统人机交互单元的答案比对模块，对比系统记录的参考答案与练习答案，发现完全相同，判断用户本次练习正确，给出
“‑‑
对
‑‑
对
‑‑”
提示。
74.图8为电压档位选择不准确例。用户选择20v电压档，万用表显示0.4v。用户将万用表显示的0.4输入，系统记录“0.4”作为用户的练习答案。
75.图9为电流测量表笔错误接入电路例。用户没有断开电阻r3与r4间的连接线，直接将红黑表笔并接入r4两端。点击“run”按钮，系统启动仿真运算，万用表显示64.1ma。用户将万用表显示的64.1输入，系统记录“64.1”作为用户的练习答案。用户输完两答案后，点击“提交”按钮，系统判断用户本次电压项和电流项的练习都错误，给出“—错(0.4/0.395)
‑‑
错(64.1/33.8)
‑‑”
提示。第一个错，表示电压项测量错误，0.4为用户答案，0.395为参考答案。第二个错，表示电流项测量错误，64.1为用户答案，33.8为参考答案。

技术特征：
1.一种万用表使用练习系统及其方法，其特征是：所述系统包括人机交互单元、练习电路单元、万用表单元和仿真运算单元，其中：人机交互单元含电路绘图模块、练习项随机指定模块、练习项说明模块、练习答案输入模块、参考答案提取模块和答案比对模块，练习项随机指定模块的输出端一路连接至练习项说明模块，另一路连接至参考答案提取模块的一个输入端，练习答案模块连接至答案比对模块的一个输入端，参考答案提取模块的输出端连接至答案比对模块的另一个输入端；练习电路单元含元件参数约束集、元件参数随机产生模块、电路元件集和电路连线集，元件参数约束集连接至元件参数随机产生模块的输入端，元件参数随机产生模块的输出端连接至电路元件集的输入端，电路元件集的输出端一路连接至人机交互单元的电路绘图模块的一个输入端，另一路连接至人机交互单元的练习项随机指定模块的输入端，电路连线集的输出端连接到人机交互单元的电路绘图模块的另一个输入端；万用表单元含仪表操作模块、测量等效电路模块、测量数据提取模块和测量显示模块，仪表操作模块一路连接至测量等效电路模块的输入端，另一路连接至测量数据提取模块的一个输入端，测量等效电路模块的输出端连接至人机交互单元的电路绘图模块的另一个输入端，测量数据提取模块的输出端连接至测量显示模块；仿真运算单元含元件线性变换模块、节点统计与编号模块、建节点电压方程组模块、解节点电压方程组模块，元件线性变换模块的输入端连接至人机交互单元的电路绘图模块的输出端，元件线性变换模块的输出端连接至节点统计与编号模块的输入端，节点统计与编号模块的输出端连接至建节点电压方程组模块的输入端，建节点电压方程组模块的输出端连接至解节点电压方程组模块的输入端，解节点电压方程组模块的输出端一路连接至人机交互接口单元的参考答案提取模块的另一个输入端，另一路连接至万用表单元的测量数据提取模块的另一个输入端。2.一种万用表使用练习系统及其方法，其特征是：所述方法包括如下步骤：(a1)选择练习电路单元，用户从练习库，选择一个练习电路单元进行万用表使用练习；(a2)元件参数随机产生，系统调用元件参数随机产生模块，在上步骤所选练习电路单元的元件参数约束集的限定范围内随机产生元件参数，将随机产生的元件参数送至电路元件集；(a3)练习项随机指定，系统调用练习项随机指定模块，从上步骤所得的电路元件集内随机指定电压项或指定电流项作为练习项；(a4)练习项说明，系统调用练习项说明模块，将上步骤所指定的练习项，以文字方式说明练习项要求；(a5)绘制电路，系统调用电路绘图模块，利用步骤(a2)所确定的电路元件集和步骤(a1)所得的电路连线集，绘制电路，并将电路送至电路仿真运算单元；(a6)电路仿真运算，系统调用仿真运算单元，进行电路仿真运算，获知全部节点电压；(a7)参考答案提取，系统调用参考答案提取模块，从上步骤所得节点电压，提取出步骤(a3)所确定练习项的参考答案；(a8)万用表使用练习，用户通过电路绘图模块，调出万用表，根据步骤(a4)的练习项说明，将万用表的红黑两表笔接入电路，通过万用表的仪表操作模块，选择档位；(a9)电路仿真运算，用户点击仿真按钮，系统对接入万用表的电路进行仿真运算，获知
全部节点电压；(a10)测量数据提取，系统调用万用表单元的测量数据提取模块，从上步骤所得的节点电压信息，提取万用表显示数据；(a11)测量结果显示，系统调用万用表的测量显示模块，显示上步骤所得的电压或电流数据；(a12)重新练习选择，用户根据万用表的显示，判断本次练习是否正确，若认为不正确，返回步骤(a8)，若认为正确，进入下步骤；(a13)用户答案输入，用户通过练习答案输入模块，将步骤(a11)万用表显示值作为用户答案输入；(a14)答案比对，系统通过答案比对模块，将上步骤所得的用户答案和步骤(a7)所得的参考答案进行比对，判断用户本次练习的对错，然后给出提示。3.根据权利要求2所述的方法，其特征是:在所述步骤(a6)和(a9)的电路仿真运算，包括如下步骤：(b1)元件线性变换，系统调用元件线性变换模块，接收人机交互单元的绘图模块送来的电路，若电路含二极管、三极管等非线性元件，把非线性元件变换为线性元件的组合，最后将全由线性元件组成的等效电路送给电路节点统计与编号模块；(b2)电路节点统计与编号，系统调用节点统计与编号模块，统计上步骤所得的等效电路的节点数量，按序分配节点编号，记录每一元件引脚所属节点的编号；(b3)建节点电压方程组，系统以上步骤所得节点编号的未知电压为变量，采用节点电压法，建节点电压方程组；(b4)解节点电压方程组，采用迭代法，求解上步骤所得的节点电压方程组，获电路方程组的数值解，从而获知电路全部节点电压值。

技术总结
本发明提供了一种万用表使用练习系统及其方法，系统包括人机交互单元、练习电路单元、万用表单元和仿真运算单元。通过对万用表接入前的练习电路中进行仿真运算，获得待练习项的参考答案。通过对万用表接入后的练习电路进行仿真运算，万用表显示测量结果，用户输入练习答案。系统比对参考答案和练习答案，判断本次练习用户是否正确使用万用表。本发明用于高职高专电类学生的万用表使用练习，可快速提高学生的万用表使用技能，减少实验室万用表的损坏率，降低办学成本。降低办学成本。降低办学成本。


技术研发人员：韦忠善 朱海燕 邓云 李显圣
受保护的技术使用者：广西职业技术学院
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/7/21