引言

电工电子实习是电气工程、自动化、电子信息等专业学生将理论知识转化为实践能力的关键环节。在实验室环境中，面对复杂的电路、精密的仪器和潜在的危险源，掌握正确的操作规范和故障排查方法至关重要。本指南旨在为实习学生提供一份全面、实用的参考教材，涵盖实验安全操作的核心要点以及常见电路故障的系统排查技巧，帮助大家在确保人身安全的前提下，高效地完成实验任务并提升解决实际问题的能力。

第一部分：实验操作安全指南

1.1 实验前的安全准备

主题句： 充分的实验前准备是保障安全的第一道防线。

在进入实验室并开始任何实验操作之前，必须做好以下准备工作：

  1. 了解实验环境与设备：

    • 熟悉实验室的布局，明确电源总开关、消防器材（灭火器、消防沙）、急救箱的位置及使用方法。
    • 检查实验台上的仪器设备（如示波器、信号发生器、直流稳压电源、万用表等）是否完好，电源线、测试线有无破损。
    • 阅读本次实验的指导书，理解实验目的、原理和步骤，对可能出现的危险点做到心中有数。

  2. 个人防护装备（PPE）：

    • 穿着： 穿棉质衣物，避免穿化纤、丝绸等易产生静电的衣物。严禁穿拖鞋、凉鞋、高跟鞋进入实验室，应穿绝缘性能良好的鞋子。
    • 长发处理： 长发必须束起或盘起，防止卷入旋转设备或接触到带电体。
    • 佩戴： 根据实验要求，佩戴护目镜（尤其在进行焊接、电解电容充放电等操作时）和绝缘手套。

  3. 工具与材料检查：

    • 检查导线、鳄鱼夹、面包板、元器件等是否完好。例如，导线绝缘皮破损、鳄鱼夹金属裸露过多都可能导致短路或触电。
    • 对于电容、电感等储能元件，使用前应确认其已放电，特别是高压电容。

1.2 用电安全基本准则

主题句： 严格遵守用电安全准则是防止触电事故的根本。

  1. “单手操作”原则：

    • 在进行高压或大电流电路测试时，尽量使用单手操作，另一只手放在背后或口袋中，避免电流流经心脏形成回路。这是最重要的安全习惯之一。

  2. 断电操作：

    • “先接线，后通电；先断电，后拆线” 是必须遵守的铁律。
    • 在连接、更改电路或更换元器件时，务必先断开电源，并确认电源指示灯熄灭。对于大容量电容，断电后还需进行放电处理。
    • 使用直流稳压电源时，应先连接好电路，再开启电源并调节至所需电压；实验结束后，先将电压调至最低，再关闭电源。

  3. 防止短路：

    • 短路是实验中最常见的事故之一，会产生巨大电流，损坏仪器甚至引发火灾。
    • 通电前，务必用万用表的蜂鸣档或电阻档检查电源正负极之间是否存在短路。
    • 使用面包板时，注意相邻插孔的连接关系，避免无意中造成短路。

  4. 仪器接地：

    • 示波器等测量仪器的接地端必须与被测电路的接地端可靠连接，否则不仅测量不准，还可能引入安全隐患。确保所有设备的接地线都连接良好。

1.3 特殊元器件安全操作

主题句： 不同元器件有其独特的安全风险，需针对性地采取防护措施。

  1. 电容：

    • 电解电容： 有极性，反接可能导致爆炸、漏液。安装时务必确认正负极。
    • 高压电容： 即使断电，也可能储存致命电荷。放电时应使用专用的放电电阻或放电棒，切勿直接用导线短路（对于大电容，直接短路会产生巨大火花，损坏电容且危险）。

  2. 半导体器件（二极管、三极管、集成电路）：

    • 这些器件对静电非常敏感（ESD）。在拿取和安装时，应先触摸接地的金属物体释放静电，或佩戴防静电手环。
    • 注意器件的引脚定义和最大额定值（电压、电流、功率），过压或过流会瞬间烧毁器件。

  3. 电感与变压器：

    • 通电和断电瞬间，电感会产生很高的感应电动势（反向电压），可能击穿开关管或其他器件。在感性负载两端并联续流二极管是常见的保护措施。

  4. 电池：

    • 严禁将电池短路，短路时会产生大量热量，可能导致电池起火或爆炸。
    • 安装电池时注意极性，反接可能损坏电路或电池本身。

1.4 实验结束后的整理

主题句： 善始善终，实验结束后的整理工作是良好实验习惯的体现，也关乎后续实验的安全。

  1. 断电与复位： 关闭所有仪器电源，将稳压电源电压调回零位。
  2. 拆线与归位： 按照规范拆卸电路，将导线、元器件分类整理并放回原位。
  3. 清理台面： 清理实验台上的杂物、剪掉的元器件引脚等，保持台面整洁。
  4. 检查与关闭： 最后检查一遍所有仪器是否关闭，电源是否切断，门窗是否关好。

第二部分：常见电路故障排查技巧

故障排查（Debugging）是电工电子实验中不可或缺的技能。它需要清晰的逻辑、耐心和正确的方法。以下将介绍系统性的排查思路和针对具体故障现象的排查技巧。

2.1 系统性排查思路

主题句： 遵循“由外到内、由静到动、由大到小”的原则，可以高效定位故障点。

  1. 感官检查（由外到内）：

    • 看（Visual Inspection）： 这是第一步，也是最有效的一步。检查电路连接是否与原理图一致，有无错接、漏接、虚焊（焊点呈球状、无光泽）、搭锡（相邻引脚短路）。检查元器件引脚有无折断、烧焦、爆裂的痕迹。
    • 闻（Smell）： 是否有烧焦的异味，这通常意味着元器件过流烧毁。
    • 听（Listen）： 是否有异常的“噼啪”声或变压器的嗡嗡声。
    • 摸（Touch - 谨慎）： 在确保安全（断电后）的情况下，可以触摸元器件是否异常发热。注意： 严禁带电触摸！

  2. 电源检查（由静到动）：

    • 静态检查（断电）： 用万用表的电阻档检查关键节点的电阻值。例如，电源正负极之间的电阻，不应为零或非常小（短路或严重过载）。检查关键线路的通断。
    • 动态检查（通电）： 通电后，首先测量电源电压是否正常、稳定。然后，按照信号流向，逐级测量各关键点的电压、波形是否正常。

  3. 信号追踪（由大到小）：

    • 对于放大电路、信号处理电路等，可以从输入端注入一个已知的测试信号（如信号发生器产生的正弦波），然后用示波器沿着信号传输的路径，逐级观察输出波形是否正常。
    • 如果在某一级的输入正常而输出异常，则故障点就在这一级或其供电部分。

2.2 万用表的妙用

主题句： 万用表是故障排查的“听诊器”，熟练使用其各项功能至关重要。

  1. 电阻档（Ω）：

    • 检查通断： 最常用功能，蜂鸣档可快速判断线路是否连通。
    • 判断元器件：
      • 二极管： 正向导通（有一定阻值），反向截止（阻值无穷大）。若正反向都通或都断，则已损坏。
      • 电容： 小电容无法用普通万用表判断，电解电容可通过测量其充放电过程（指针先向低阻值摆动后慢慢回到无穷大）来粗略判断好坏和极性。
      • 保险丝： 通断档测得阻值无穷大则已熔断。

  2. 直流电压档（DCV）：

    • 测量静态工作点： 这是分析放大电路故障的核心。将黑表笔接地，红表笔测量电路中各点的电压，与理论值或典型值进行比较。
    • 举例： 在一个NPN型三极管共射放大电路中，正常工作时，Vbe应在0.6V~0.7V之间，Vce应在Vcc/2左右。若Vbe=0V，说明基极没有偏置电压；若Vce接近Vcc，说明三极管可能处于截止状态。

  3. 交流电压档（ACV）：

    • 测量变压器次级电压、电网电压等。

2.3 常见故障现象及排查实例

主题句： 针对具体故障现象，结合电路原理进行分析，是解决问题的关键。

故障一：电路无任何反应（电源指示灯不亮，无输出）

  • 可能原因：
    1. 电源线未插好或电源开关未打开。
    2. 保险丝熔断。
    3. 电源电路本身存在严重短路。
    4. 变压器损坏。
  • 排查步骤：
    1. 外观检查： 检查电源线、插头、开关。
    2. 保险丝检查： 拔下保险丝，用万用表电阻档测量，若不通则更换同规格保险丝。注意： 若更换后再次熔断，说明电路存在严重短路，必须先排除短路故障再换保险丝，否则会反复烧毁。
    3. 短路排查： 断电，用万用表电阻档测量电源输入端的电阻。若阻值接近0Ω，说明有短路。可采用“割线法”或“分割法”，断开可疑部分，逐步缩小范围，找到短路点。

故障二：放大电路输出波形失真

  • 现象： 输出的正弦波顶部或底部被削平（削顶或削底失真），或波形不对称。
  • 可能原因：
    1. 静态工作点设置不当： 这是最常见的原因。偏置电阻阻值错误导致三极管进入饱和区或截止区。
    2. 输入信号过大： 即使工作点正常，过大的输入信号也会使输出超出动态范围。
    3. 元器件性能不良： 如三极管β值过低或热稳定性差。
  • 排查步骤：
    1. 测量工作点： 用万用表DCV档测量三极管的Vbe和Vce。
      • 若Vce接近0V，说明三极管饱和，应检查集电极电阻和基极偏置电阻。
      • 若Vce接近Vcc，且Vbe很小（<0.5V），说明三极管截止，应检查基极偏置电阻。
    2. 调节输入信号： 将信号发生器的输出幅度减小，观察波形是否改善。若改善，则是输入信号过大，调小即可。
    3. 替换法： 若工作点正常但依然失真，可尝试更换一个三极管。

故障三：自激振荡（输出有不规则的高频信号）

  • 现象： 电路未接入输入信号或输入信号很小时，输出端却有高频振荡波形，导致无法正常工作。
  • 可能原因：
    1. 电源去耦不良： 电源内阻过大，或未在集成电路/放大级附近加退耦电容。
    2. 布线不合理： 输入输出线靠得太近，或地线布局不当形成公共地阻抗耦合。
    3. 电路分布参数影响： 在高频电路中尤为明显。
  • 排查步骤：
    1. 检查退耦电容： 在靠近集成电路电源引脚处，并联一个0.1μF的陶瓷电容到地，观察振荡是否消失。
    2. 改善接地： 采用“一点接地”或加粗地线，减少地线阻抗。
    3. 物理隔离： 将输入线和输出线远离，或使用屏蔽线。

故障四：数字电路逻辑错误

  • 现象： 电路输出不符合预期的逻辑关系。
  • 可能原因：
    1. 接线错误： 逻辑门或触发器的引脚接错。
    2. 时序问题： 在时序电路中，时钟信号频率过高或过低，导致触发器无法正确翻转。
    3. 未使用的输入端处理不当： CMOS电路未使用的输入端悬空会引入干扰，导致逻辑错误。
  • 排查步骤：
    1. 对照原理图： 逐根线核对实际接线。
    2. 检查时钟信号： 用示波器观察时钟信号的频率、幅度和波形。
    3. 处理悬空端： 将未使用的输入端通过一个上拉或下拉电阻接到Vcc或GND。

2.4 故障排查的“终极武器”：替换法与对比法

主题句： 当逻辑分析难以奏效时，这两种经验性的方法往往能出奇制胜。

  1. 替换法（Substitution Method）：

    • 当怀疑某个元器件（如三极管、集成电路、晶振）损坏时，用一个确认良好的同型号元器件将其替换。如果电路恢复正常，则说明原器件损坏。
    • 注意： 替换前必须确认电路其他部分无短路等破坏性故障，以免损坏新换上的器件。

  2. 对比法（Comparison Method）：

    • 如果身边有同学完成了相同的实验，或者自己之前做过类似的电路，可以将故障电路与正常电路的关键点电压、波形、电阻值等进行对比，从而发现差异点，定位故障。

结语

电工电子实习不仅是对理论知识的检验，更是对动手能力、严谨作风和安全意识的综合培养。安全是实验的基石，任何时候都不能掉以轻心。而故障排查则是一门融合了理论、经验和逻辑的艺术，需要在实践中不断积累和总结。希望本指南能成为大家实习过程中的得力助手，祝愿每位同学都能在安全、愉快的环境中，通过亲手实践，真正领略电子世界的魅力，学有所成。