一種模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)裝置的研制

文/宮曉宇 蔡靖 張莉 孫慧慧

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院 吉林省長春市 130061）

1 引言

《模擬電子技術(shù)》是高校理工科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有較強的工程性及實踐性，是提高學(xué)生綜合實踐能力的重要課程。模擬電子技術(shù)實驗課程是教學(xué)理論與實際相結(jié)合，其設(shè)置目的是加深學(xué)生對理論課專業(yè)知識的理解，及時運用所學(xué)知識提高系統(tǒng)設(shè)計能力、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要環(huán)節(jié)[1]，同時為后續(xù)的其他專業(yè)課程及課外實踐課題奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)社會需求，更新實驗教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生向社會所需的應(yīng)用型、實踐型、創(chuàng)新型人才的轉(zhuǎn)變[2]。為緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，不斷提高學(xué)生的實踐動手能力，各高校逐年增加綜合性設(shè)計實驗的比重。目前我院使用的天煌教儀研制的THM-1 型模擬實驗裝置已經(jīng)不能滿足教學(xué)大綱的實驗教學(xué)需求，為了促使學(xué)生更好的完成設(shè)計，提高學(xué)生的實驗操作能力和激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，更好的將理論教學(xué)內(nèi)容和實踐操作環(huán)節(jié)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生主動分析問題及解決問題的能力，研制了新型模擬電子技術(shù)實驗裝置。

2 模擬電子實驗裝置的現(xiàn)狀分析

目前我院模擬電子技術(shù)實驗室面向地學(xué)部相關(guān)專業(yè)教學(xué)，主要承擔《模擬電子技術(shù)實驗》、《電子技術(shù)I》、《電子技術(shù)II》、《電工學(xué)A》、《電工學(xué)B》等課程實驗。相關(guān)專業(yè)是儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè)、電氣工程及其自動化專業(yè)、李四光實驗班、卓越工程師班學(xué)科基礎(chǔ)課、必修課，同時也是勘察工程專業(yè)、環(huán)境工程等專業(yè)選修課，實驗學(xué)時達到 6000 人時/學(xué)年。當前實驗室使用的模擬電子技術(shù)實驗箱購置時間已有十余年，無法滿足現(xiàn)有的實驗教學(xué)要求和學(xué)生日益增長的實踐創(chuàng)新學(xué)習(xí)需要，主要存在以下幾個方面的不足：

（1）裝置過度集成，功能單一，設(shè)計性和綜合性不足[3]，無法滿足學(xué)生實踐創(chuàng)新動手需求和實驗教學(xué)改革的需求。

（2）實驗裝置不能提供充足的外部觸發(fā)信號，如可調(diào)頻調(diào)幅正弦波。

（3）實驗裝置直流電平數(shù)量不夠，無法完成比例及求和運算放大電路實驗，影響實驗可完成的數(shù)量。

（4）實驗裝置原有部分資源浪費，長期得不到應(yīng)用。

（5）實驗裝置元件出現(xiàn)老化、破損現(xiàn)象，故障頻發(fā)，已經(jīng)嚴重影響到學(xué)生做實驗的情緒和進度，現(xiàn)急需更換一種新的實驗教學(xué)平臺[4]。

經(jīng)過與部分教學(xué)儀器生產(chǎn)商的溝通及通過網(wǎng)絡(luò)獲取相關(guān)信息，通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)市面上銷售的針對高校實驗教學(xué)的模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)設(shè)備的模塊固定化，大多以通過實驗區(qū)驗證原理為主，基本停留在過去的實驗教學(xué)項目，無法隨意修改增減元器件，對于一些新開設(shè)的開放的能夠引起學(xué)生興趣的自主設(shè)計項目無法完成，學(xué)生只能機械的完成部分傳統(tǒng)實驗項目，得到普通相同的驗證性數(shù)據(jù)，難以促進實驗教學(xué)改革，自主設(shè)計創(chuàng)新性實驗項目無法開設(shè)，購買的實驗裝置的使用率逐年降低，造成了資源浪費。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的出現(xiàn)的原因是成品的模擬電子實驗教學(xué)裝置的生產(chǎn)商對目前高校實驗教學(xué)相關(guān)實驗項目，實驗需求，實驗?zāi)康膶嶋H情況沒有及時的認知了解，按照以前傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式只是對裝置本身做了簡單升級，對高校實驗教學(xué)這部分沒有進行充分的調(diào)研。本校教師根據(jù)學(xué)校涉及到的專業(yè)方向，依據(jù)教學(xué)大綱、學(xué)生培養(yǎng)方案中的實驗教學(xué)指導(dǎo)內(nèi)容及實驗?zāi)康摹⒆约簩嶋H工作中遇到的具體問題、學(xué)生實驗操作反饋等內(nèi)容，自主研發(fā)設(shè)計一種模擬電子技術(shù)教學(xué)實驗裝置十分必要。

3 分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置的設(shè)計理念

在確定研制分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置之前，項目負責團隊的老師已經(jīng)根據(jù)近些年的工作經(jīng)驗形成了初步的設(shè)計方案，并到相近省份的高校進行調(diào)研，觀摩比較有代表性的實驗項目課程，與實驗授課老師及學(xué)生交流探討在授課、實驗裝置操作中所遇到的問題及解決辦法，暢聊今后模擬電子技術(shù)實驗裝置的發(fā)展方向。通過對收集到的實驗教學(xué)數(shù)據(jù)、實驗裝置的各種參數(shù)屬性對比，進行優(yōu)劣勢分析。在不影響實驗教學(xué)正常使用的基礎(chǔ)上，裝置的每一個設(shè)計環(huán)節(jié)都把安全放在了最首要的位置，一旦發(fā)現(xiàn)有疑似安全隱患，馬上思考研究相應(yīng)的解決方案，整個實驗操作環(huán)節(jié)均在安全電壓范圍內(nèi)進行，特別要關(guān)注學(xué)生上實驗課時出現(xiàn)設(shè)備操作不規(guī)范導(dǎo)致的危險發(fā)生。在關(guān)鍵必要的環(huán)節(jié)及時做好電路保護。其次是注重對可靠性的提升，設(shè)計團隊選擇市面上能力范圍內(nèi)高質(zhì)量實驗器件和材料去安裝設(shè)計實驗裝置，同時縮減了實驗教師對實驗平臺的維修維護工作，避免因操作失誤致使設(shè)備損壞，從而保證實驗教學(xué)的有序進行。可擴展性體現(xiàn)在設(shè)備的元器件多樣性及可替換，新技術(shù)層出不窮，實驗教學(xué)內(nèi)容也在不斷的更新，在完成基礎(chǔ)實驗項目的基礎(chǔ)上，可增加一些新的自主設(shè)計性實驗內(nèi)容，使學(xué)生更好的掌握知識原理，學(xué)生也可根據(jù)自己喜好選擇不同電路模塊去完成不同的實驗內(nèi)容。提高了實驗教學(xué)課程的完成率、設(shè)備的使用率。

根據(jù)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院新版實驗大綱要求，提高學(xué)生驗證知識原理、加深認識、開拓思維、汲取新知識的能力；學(xué)生通過學(xué)習(xí)實驗基本知識、技術(shù)運用理論知識和技能解決工程實際問題的能力；為了使學(xué)生適應(yīng)高新科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求，逐步形成科學(xué)的思維模式，從而掌握科學(xué)的實驗方法和實驗設(shè)計思想；培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新理念、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神及實踐動手能力，掌握模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論及設(shè)計、開發(fā)和工程實踐能力；實驗室開發(fā)適應(yīng)學(xué)生需求的“分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置”以滿足教學(xué)需要和實踐需求，又可以作為綜合設(shè)計型實驗教學(xué)的實驗平臺[5]。

4 分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置的構(gòu)成

分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置設(shè)計要求兼顧集成和分離的特點，原有實驗箱過度集成、缺乏靈活性以及部分資源浪費的缺點和不足。分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置（見圖1）中全部器件都是各自獨立，整個裝置面板沒有任何導(dǎo)線連接。

分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置主要分為箱體、箱板、擴展實驗板。箱板主要包括：實驗裝置電源、可控直流電源、信號源、數(shù)據(jù)采集通信模塊、電阻模塊、三極管模塊、電容模塊、電源芯片模塊、集成芯片管座、管針、插孔等部分。信號源能夠輸出方波、正弦波、三角波波形，輸出頻率和幅度可調(diào)：

（1）供電電源模塊：主要實現(xiàn)對實驗箱正常供電，將交流220V 電壓通過變壓器以及交直流轉(zhuǎn)換，并分壓出±12V，±5V 為運算放大器提供直流電源。

（2）交流信號模塊：利用MAX8038 芯片信號發(fā)生電路，實現(xiàn)正弦波等函數(shù)信號發(fā)生，頻率范圍為100MHZ~1KHZ,用來為核心板和其它外部模塊提供外部測量信號和觸發(fā)信號，信號發(fā)生器的信號類型和頻率范圍可滿足實驗和實踐需求。

（3）直流信號模塊；利用“供電電源模塊”提供的±12V、±5V 電源，通過電位器分壓的方式實現(xiàn)4-6 路可調(diào)正負可調(diào)直流信號，為運算放大電路實驗提供多路測量信號。

（4）信號響應(yīng)模塊：主要由8Ω0.25W 電阻和8Ω0.25W 揚聲器組成，為功率放大電路實驗提供負載。

（5）附屬離散電路及器件；主要包括整流橋電路、無源濾波器電路、穩(wěn)壓管電路以及離散電容、電阻、電位器、電平、邊緣觸發(fā)開關(guān)、二極管、三極管、穩(wěn)壓管、8 管腳和16 管腳集成電路芯片插座，采用分立開放元器件的設(shè)計思路。

（6）擴展實驗板為獨立的模擬電路功能實驗?zāi)K，箱板插孔供擴展實驗板與箱板連接，管針可外接電阻、電容、電感等器件。主要包括：共射級放大電路、共基電極放大電路、共集電極放大電路、RC 振蕩電路等，電路采用小模塊化設(shè)計，取消電路導(dǎo)線。在實驗操作中，強調(diào)學(xué)生手動連接和設(shè)計。

5 分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置的特點

5.1 新實驗裝置的可靠性高

裝置面板上的器件管腳外延連接插孔座為焊接式，避免了實驗插孔座松動、接觸不良的現(xiàn)象，提高了實驗效率。同時，裝置面板插孔座采用鍍金插型孔，耐氧化，實用性強。同時選取了高品質(zhì)電源及較為完善的電源保護，有效提高此模擬電子技術(shù)實驗裝置的可靠性。

5.2 新實驗裝置的直觀性強

裝置面板標記器件符號，圖線分明，排列分布緊湊，位置合理，學(xué)生可以對所使用的器件有直觀的認識，插接方便，有利于使用者獨立實驗操作，同時可快速查找故障，方便維修，提高實際動手能力。

5.3 新實驗裝置的擴展性好

器件種類豐富，均為開放分立器件，各元器件可根據(jù)具體實驗要求自由組合，更換實驗電路模塊可完成二十幾種綜合設(shè)計性實驗，也可根據(jù)具體實驗教學(xué)內(nèi)容，制作并升級相應(yīng)的實驗教學(xué)電路模塊，具有較強的擴展性。學(xué)生在理解并掌握理論知識后，可自行設(shè)計電路，即將原有驗證型實驗改革為綜合設(shè)計型實驗，使學(xué)生充分發(fā)揮自身的主觀能動性[6]，使得實驗教學(xué)內(nèi)容更加全面和完善。

6 結(jié)語

圖1：分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置主體圖

分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置經(jīng)過近兩年的設(shè)計、制作，及后期參與本項目的理論教師、實驗老師對實驗裝置進行了整體功能測試，目前已順利完成。經(jīng)過半年多組學(xué)生對實驗裝置進行了實驗試用，實踐結(jié)果表明，這套自行設(shè)計的分立式模擬電子技術(shù)實驗裝置電路搭建方便，性能穩(wěn)定，檢修便捷，同時符合教學(xué)大綱要求，新實驗裝置便于實驗人員維修與維護[7]。參與本次設(shè)備試用的同學(xué)也提出了一些意見，本項目組的老師將會持續(xù)跟蹤不斷完善裝置性能，滿足學(xué)生實驗教學(xué)使用的實驗裝置。

為學(xué)生在創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)方面提供較好的實驗環(huán)境，可以更好的為硬件維護和實驗內(nèi)容的擴展提供良好的條件，有效的改善實驗教學(xué)質(zhì)量，同時提高了研制人員的綜合業(yè)務(wù)水平，把握一切機會進行開拓創(chuàng)新，充分調(diào)動教師的積極性，鼓勵教師進行研制實驗儀器設(shè)備[8]。通過對本次設(shè)計分立式模擬電子實驗裝置的實踐，深刻體會到，高校本科實驗教學(xué)還需要有大量工作要做，實驗教學(xué)的改革、實驗室建設(shè)與管理，儀器研制與功能開發(fā)、實驗技術(shù)方法創(chuàng)新等方面，充分且合理的利用實驗室現(xiàn)有資源，提高實驗設(shè)備使用率、使更多的學(xué)生和老師受益。