模擬電路實驗在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中的改革探索

顧家軍 祝超凡 陳謹(jǐn) 陳玲玲

[摘 要] 目前國內(nèi)高校常見的模擬電路實驗采用電路綜合實驗箱，學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容需要通過雜亂的接線連接電路，才能機械的完成實驗，學(xué)生初學(xué)時難以掌握。同時大部分模擬電路實驗課程未與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特性相結(jié)合，也未與后續(xù)專業(yè)課程相結(jié)合而融入整個實驗體系中。通過對上述模電實驗存在的問題進(jìn)行梳理，設(shè)計新型模擬電路實驗架構(gòu)，通過模塊化、可視化以及融入其他專業(yè)課程內(nèi)容等方式，在學(xué)習(xí)模電知識的同時鍛煉了學(xué)生的綜合實踐能力。

[關(guān)鍵詞] 模擬電路實驗;生物醫(yī)學(xué)工程;模塊化;可視化;改革探索

[基金項目] 2020年度深圳技術(shù)大學(xué)實驗室與設(shè)備管理研究基金項目（JS20200004）;2020年度校級“質(zhì)量工程”建設(shè)項目“健康與環(huán)境工程學(xué)院實驗教學(xué)示范中心”

[作者簡介] 顧家軍（1991—），男，安徽滁州人，碩士，深圳技術(shù)大學(xué)健康與環(huán)境工程學(xué)院實驗師，主要從事生命信息監(jiān)護(hù)與醫(yī)學(xué)圖像處理研究。

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）41-0044-04 ? [收稿日期] 2021-04-09

一、引言

模擬電路實驗具有基礎(chǔ)厚、專業(yè)活、適應(yīng)性廣的特點，是一門比較難學(xué)的課程。實驗與理論互補、良好的實驗課程，可以輔助理論課教學(xué)成效。目前多數(shù)實驗采用綜合實驗箱，一方面學(xué)生需要通過雜亂的接線才能完成實驗，初學(xué)者很難達(dá)到實驗的預(yù)期效果，影響后續(xù)的學(xué)習(xí)興趣[1，2];另一方面大多數(shù)實驗內(nèi)容未與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特點相結(jié)合，學(xué)生難以掌握模電在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。筆者經(jīng)歷多年的模擬電路教學(xué)與實踐，希望通過電路原理模塊化[3，4]，將實驗結(jié)果可視化，并將實驗內(nèi)容與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特點相結(jié)合，由易到難，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成模擬電路課程的學(xué)習(xí)。

二、生物醫(yī)學(xué)工程模擬電路實驗存在的問題

（一）缺乏針對性

目前國內(nèi)大多數(shù)高校生物醫(yī)學(xué)工程模電實驗教學(xué)內(nèi)容大多借鑒電子信息類專業(yè)，缺乏針對性內(nèi)容，未能體現(xiàn)出自己專業(yè)特色。

（二）實驗煩瑣，缺乏直觀性

模擬電路實驗包括器件識別、測量儀器使用等實驗基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和驗證型、設(shè)計型和綜合型實驗的操作[5]。驗證性實驗主要包含二極管與整流、三極管與放大、運算放大器與信號放大、加法器、濾波器、穩(wěn)壓電源等。在現(xiàn)有的電路模擬數(shù)字綜合實驗箱[6]實現(xiàn)這些功能需要直插式芯片、電阻、電容器件和多線引線在實驗箱上進(jìn)行連接。煩瑣的接線占用了大量的課堂時間，并且實驗的直觀性不強，使得模擬電路原理的驗證達(dá)不到設(shè)想的效果，并且頻繁地插拔芯片也易造成芯片損壞。由于煩瑣且機械化的實驗操作導(dǎo)致學(xué)生實驗興趣不高，學(xué)生實踐學(xué)習(xí)效果不佳。

（三）缺乏完善的實驗體系

目前生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)普遍存在模電實驗課程只是在輔助本門專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對于本門課程的了解和實踐能力，未能將本門實驗課程與其他課程相結(jié)合。生物醫(yī)學(xué)工程實驗課程本為一個體系，其中的每門實驗課程能夠成為該體系中的一環(huán)，模電實驗未能融合到整個實驗體系中而起到銜接作用。

三、生物醫(yī)學(xué)工程模擬電路實驗改革探索方式

針對目前國內(nèi)高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實驗教學(xué)中模電課程普遍存在的問題，設(shè)計一套新型模電實驗課程內(nèi)容來解決上述問題。整體實驗內(nèi)容架構(gòu)如圖1所示。

（一）模擬電路實驗電路模塊化

針對頻繁接線的導(dǎo)致占用大量課堂時間和頻繁地插拔芯片的問題，圖1中給出的探索思路是通過將模擬電路實驗進(jìn)行模塊化設(shè)計。模塊式模擬實驗板，其電路根據(jù)理論課電路為原型進(jìn)行設(shè)計，以接插件方式與實驗平臺板連接;實驗板的頂面按理論教學(xué)的實驗電路原理圖進(jìn)行絲印;預(yù)留輸入端接信號發(fā)生器輸入原始波形;預(yù)留出可調(diào)節(jié)的器件，實時修改電路參數(shù);預(yù)留輸入、輸出測試點，工作狀態(tài)測試點，同時測試點與實驗平臺板對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口相連接。

（二）模擬電路實驗結(jié)果可視化

針對采用模擬電路實驗箱在驗證實驗結(jié)果時，結(jié)果不夠直觀的問題，圖1中給出的探索思路是通過將模擬電路實驗結(jié)果可視化。通過將模電電路實驗結(jié)果進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，在屏幕上進(jìn)行通過波形或數(shù)值顯示出結(jié)果。采用STM32F103RCT6為主處理器，ADuC7060為協(xié)處理器，主、協(xié)處理器之間通過SPI通信。通過接插件，主處理器可提供十六通道通用I/O口，協(xié)處理器提供十通道24位同步ADC，一個通道PWM，一個通道DAC和兩通道可編程電流源。開放式的架構(gòu)也可以接納學(xué)生自主設(shè)計功能電路的拼入[7]。上位機基于PC軟件系統(tǒng)，主要實現(xiàn)RS232串口通信（數(shù)據(jù)打包發(fā)送、解包接收和控制字發(fā)送）、界面繪制、狀態(tài)顯示和實時波形圖等功能。實現(xiàn)對模塊式模擬實驗的狀態(tài)監(jiān)控，包含關(guān)鍵部位電壓和信號。通過比對示波器、萬用表等儀器測量值，讓初學(xué)者對實驗與結(jié)果有初步的了解和認(rèn)識。

（三）模擬電路實驗內(nèi)容體系化

為了突出生物醫(yī)學(xué)工程的特點，更好地將模擬電路相關(guān)知識應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中去。提出將心電、腦電、肌電、眼電、脈搏波、呼吸等常見的人體生理信號作為模擬電路實驗中的信號源，并且針對相應(yīng)的生理的信號的特性，設(shè)計相應(yīng)的運放電極和RC濾波電路等與模擬電路相關(guān)實驗相關(guān)結(jié)合的實驗。亦可通過將模擬電路與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相結(jié)合來設(shè)計相應(yīng)的高級項目作為模擬電路實驗的階段性考核，如要求學(xué)生設(shè)計一套完整電路實現(xiàn)心電信號的采集，獲得較為純凈的信號。這些信號處理的內(nèi)容能夠與信號與系統(tǒng)的知識相契合。同時圖1的實驗架構(gòu)中包含了STM32和ADuC7060單片機，并留有相應(yīng)的接口，學(xué)生可以對單片機進(jìn)行再次編程燒錄，這與嵌入式課程相契合，上位機軟件的編寫又能夠與軟件開發(fā)類課程相契合。對模電實驗框架的改革能夠與眾多課程相融合，使得模電實驗課程在體現(xiàn)專業(yè)特色的同時，在整個生物醫(yī)學(xué)工程體系中起到承上啟下的作用。