數電模電實驗平臺的改造研究與應用*

陳亞萍 章歡樂 周榮斌

(江西工程學院,江西新余 338000)

0 引言

高校實驗室作為學校師生科技創新的有效平臺,是培養專業技能水平,實踐操作能力和具有創新能力的專業人才場所。普通高校實驗室建設與管理辦法明確規定,高校實驗室是依托高校具有相對獨立性的科研實體,是學科建設的重點。高校實驗室一般依托于一個或若干個具有較大優勢的重點學科,并為重點學科的建設與發展需要提供優化的運行環境和必要的保障條件。同時也是開展高水平科學研究的重要基地,也是地方科技創新的重要源泉。高校重點學科建設與發展,與在此學科上是否建立一流的重點實驗室是分不開的。因此,高校實驗室在重點學科建設中發揮提高學校學術地位、核心競爭力的作用是其他方面所無法替代的。

實驗教學是培養應用型人才的重要途徑,實驗教學質量的好壞,決定了應用型人才培養質量的高低。在理工科院系,《模擬電路》和《數字電路》是重要專業基礎課程,它內容豐富、應用領域廣泛、涉及專業多、實踐性和工程性強、技術更新快,容易形成教學滯后于技術進步的局面。為了使學生更好地理解這門課程,提高其動手能力,培養創新精神,開設相關實驗課就顯得尤為重要?！赌M電路》《數字電路》是很多工科專業的通識必修課,尤其是電子類、通信類以及計算機類專業,它們是這些專業學生的入門基礎課,對培養這些學生的專業水平具有重要影響。

數字電路和模擬電路的實驗教學模式多樣,傳統的實驗教學方法都是“填鴨式”教學,教師在教學中既是主導又是主體,教師以完成任務為目的,忽略了學生這個主體,學生只是作為受眾,單純接受教師的說教,這樣一來不僅不能激發學生實驗課的興趣,還阻礙了學生學習的主動性和創造性。另外,實驗內容相對比較陳舊,導致很多實驗知識跟不上行業發展,學生所學知識和社會脫節,真正走上工作崗位之后不能適應工作需要。

因此,在開設數模電實驗教學中,實驗設備起著至關重要的作用。研究一套符合本校教學情況、學生需求的數模電實驗設備尤為關鍵。

1 目前數電模電實驗設備現狀分析

隨著國家對高校創新人才培養要全面化,實踐能力培養越來越受到重視。數電模電實驗臺的建設國內外有許多教育設備廠家及研究機構進行了廣泛的研究,在國內外大多數高校的學生在使用實驗平臺的過程中受到多個方面因素的約束。學生專業學習水平的高低與數模電實驗臺的吻合度也各不一樣。

近年來,隨著國家教育投入力度的不斷加大,我國各高職院校在數字電路和模擬電路的實驗技術領域的教學設備越來越豐富,其中,數電模電綜合實驗臺作為一種完善的教學設備,被廣泛應用于各大院校的模擬電子技術實驗中。目前有許多高校自身也在研究數模電實驗臺,根據本校情況有些可以值得借鑒。

本文結合作者的實踐教學經驗、本校教學情況及學生需求設計了一套數電模電實驗教學平臺,并對數電模電實驗教學平臺的建設特點以及使用方法進行簡要概述,并從數電模電實驗教學平臺的角度出發,對其在教學實踐應用中出現的問題等加以分析,以便為今后類似的實驗教學提供借鑒和參考。

2 數電模電實驗教學平臺的設計內容

我校的本科相關專業(電子信息工程、通信工程、物聯網工程等),?？葡嚓P專業(應用電子、自動化、新能源技術等)都開設有數字電路、模擬電路或電子技術課程,這些課程中實驗課程占比較多,也是教學中的重點,但各專業這些課程的側重點又不一致。根據國內外應用型高校數模電實驗平臺的建設情況,對我校電子實驗室基本情況進行分析統計,建立相關的材料檔案,為課題的研究提供理論依據,研究出一套多功能數模電實驗操作平臺,以滿足多專業,各層次學生數字電路、模擬電路的實驗教學需求。

對各專業數字電路、模擬電路、電子技術課程的實驗大綱及學生課程設計及數模電實驗室開放需求的情況進行調研,開展各種形式有目的有意義的實驗教學課程,通過學生使用實驗設備與老師相互交流等活動,進行統一的研究、歸納、總結合理設計實驗平臺。該平臺由模電方塊及數電方塊組成。

模電方塊含有三極管放大電路、運算放大器應用電路、功率放大電路、場效應管應用電路、直流電源、元件庫等模塊。其中三極管放大電路模塊可以完成6個實驗項目,運放放大應用模塊可以完成4個實驗項目,直流電源模塊可以完成3個實驗項目,元件庫里可以擴展各種應用型及設計性實驗項目。如表1所示。

數電方塊含有各種數量腳號的芯片插座、16位置數開關、6個數碼顯示及16位指示燈顯示、元件庫等模塊?？梢酝瓿筛鞣N數字電路的驗證性、綜合性及設計性實驗項目。如表2所示。

表1 模電模塊框圖

表2 數電模塊框圖

圖1 模板生成步驟

3 數電模電實驗教學平臺的設計目標

(1)平臺的每個模塊都含有相關電路的元器件及部分自由插孔。每個元器件都獨立,每個元器件腳號都連接一個插孔,便于連接導線。

(2)實驗操作平臺可以滿足課程所有的實驗項目。元件庫及自由插孔可滿足學生各種電路設計需求。

(3)實驗室可進行開放,滿足學生課外學習、課程設計等方面需求。

(4)合理設計各模塊在模電方塊及數電方塊的位置。特別是數電方塊上,芯片插座、置數開關、數碼顯示及指示燈顯示等模塊的位置,要按照電路需求及操作的便利設計模塊位置。

(5)合理設計各模塊的元器件參數。要根據各模塊電路的要求,先進行實驗測試,選擇出合理方案,記錄參數數據,選擇合理參數,備留自由元器件插孔。

4 數電模電實驗教學平臺的完成過程

(1)根據數電模電實驗教學平臺的設計要求,完成各模塊的電路圖,通過電路圖軟件,將設計的各電子元件進行排版,PCB版各單元的尺寸定位等,畫好數電方塊和模電方塊二種PCB板。

(2)代工生產好PCB板,采購合格的各種電子元器件及配件,特別是實驗插孔要求質量穩定不氧化,元器件參數要符合要求。最后將元器件安裝到PCB板后進行調試驗證。如圖1所示。

所開發的實驗平臺的各模塊電路都可以設計完整,經過測試驗證,電路仿真等過程可滿足實驗教學需求。實驗平臺的靈活性很適用我校有多個專業,不同層次學生使用。平臺的設計制作,完全可行,有利于學生的實驗及創新。

5 數電模電實驗教學平臺的創新點及特色

(1)模電模塊由6大獨立單元模塊構成,單元模塊電路中每個電路元件排列位置與實驗電路基本一致。并在模電板中設立場效應管應用實驗模塊和可控硅實驗單元,以適應放大電路發展的需要。如圖3所示。

圖2 數電模塊

圖3 模電模塊

(2)數電模塊設立獨立電源,減少學生循環接線方式。如圖2所示。

(3)兩個模塊都增加電路擴展單元,可以讓學生設計更多創新電路,為學生自主學習、個性發展、創新能力的提高提供良好的實驗機會。

(4)該數模電實驗平臺適用范圍廣,適用全校本科、?？贫鄠€專業的數字電路、模擬電路、電子技術課程的實驗大綱。

(5)平臺各個模塊靈活性強,可由學生自由設計搭建電路,課程實驗教學、實驗室開放都很適用,有利于提高學生創新能力。