模擬電子綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

楊風(fēng)健 霍旭陽 王彥麗

(吉林醫(yī)藥學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 吉林 132013)

工程認(rèn)證的核心理念是堅持以學(xué)生為中心OBE(產(chǎn)出導(dǎo)向教育)模式[1],以需求為導(dǎo)向,培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的應(yīng)用型人才[2],這就對當(dāng)前的理工科課程提出了新的要求,需要對傳統(tǒng)課程實(shí)踐方式做出改革與探索。

對于電類相關(guān)專業(yè)來說,“模擬電子技術(shù)”課程是專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程[3],以往,在課程當(dāng)中會設(shè)置有基于試驗(yàn)箱的各種驗(yàn)證性、演示性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,但是在現(xiàn)今工程化、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的背景下,單純的分立式驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)無法滿足社會對于工程人才的培養(yǎng)需求。因此,在理論基礎(chǔ)教學(xué)之后,設(shè)置與之配套的綜合性實(shí)驗(yàn)課程,探索如何提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,變被動為主動,真正將課程理論知識在實(shí)踐中學(xué)以致用,具有非常重要的意義。

在近幾年的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的綜合測評環(huán)節(jié)中,都會綜合運(yùn)用“電路分析+模電+數(shù)電”的基本電路知識進(jìn)行電路設(shè)計與調(diào)試工作[4],其考驗(yàn)的是學(xué)生對電路的理解和掌握程度、電路仿真軟件應(yīng)用能力、工具儀表的使用熟練程度等綜合實(shí)踐能力。

吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)為適應(yīng)工程認(rèn)證培養(yǎng)要求,同時為電賽綜合測評進(jìn)行有針對性的培訓(xùn),設(shè)立了“模擬電子綜合實(shí)驗(yàn)”獨(dú)立實(shí)踐課程。在該課程中,設(shè)計一種集波形發(fā)生、分頻、波形轉(zhuǎn)換于一體的波形發(fā)生轉(zhuǎn)換電路,綜合運(yùn)用Multisim及Altium Designer電路EDA軟件,結(jié)合洞洞板進(jìn)行焊接實(shí)踐,為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力和邏輯思維能力,進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)的初步探索。

1 實(shí)驗(yàn)總體方案

在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)設(shè)計之前,學(xué)生需要完成的前期基礎(chǔ)課程應(yīng)包含“電路分析”“數(shù)字電子技術(shù)”和“模擬電子技術(shù)”,并掌握基本的電路設(shè)計仿真軟件Multisim和Altium Designer的使用,具備基本的電路焊接調(diào)試能力和儀表工具的使用能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為設(shè)計波形發(fā)生及轉(zhuǎn)換電路,具體電路參數(shù)如表1所示,各個電路單元所采用的芯片已被限定,并且輸出波形的頻率已給定,同時要求各部分波形應(yīng)無明顯失真,頻率誤差容限為20%,是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用電容的容值精度為20%。

表1 波形發(fā)生轉(zhuǎn)換電路參數(shù)

按照圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案,需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),利用Multisim進(jìn)行電路的設(shè)計與仿真分析,仿真驗(yàn)證無誤后,利用Altium Designer電路設(shè)計軟件模擬洞洞板的焊盤布局進(jìn)行元件布局及走線繪制,最后需要參照元件布局布線圖在洞洞板上完成實(shí)物的焊接制作。

圖1 實(shí)驗(yàn)總體方案

2 電路設(shè)計與仿真

電路設(shè)計框圖如圖2所示,要求電路整體采用單5 V電源供電,共包含5個電路功能單元,分別為:555方波發(fā)生電路、4分頻電路、方波轉(zhuǎn)三角波電路、三角波轉(zhuǎn)正弦波電路、正弦波轉(zhuǎn)方波電路,各個單元的參考電路設(shè)計將在下文中給出。

圖2 電路框圖

2.1 方波發(fā)生及分頻電路

方波發(fā)生電路采用555時基發(fā)生電路進(jìn)行設(shè)計,可以利用Multisim的Tools功能里的Circuit wizards工具進(jìn)行生成,具體電路設(shè)計如圖3所示。同時,圖4所示為利用軟件自帶的示波器觀察波形輸出情況,555輸出方波的占空比不做具體限定,因?yàn)樵摲讲ń?jīng)過分頻電路后會自動轉(zhuǎn)換為50%占空比,圖4中上方曲線為分頻后的輸出波形,根據(jù)T2-T1的值為105 us,計算方波周期頻率約為9.5 kHz。

圖3 555方波發(fā)生及分頻電路

圖4 方波及分頻波形輸出

2.2 中間電平及方波轉(zhuǎn)三角波電路

由于電路采用了單5 V電源供電,因此需要為運(yùn)算放大器構(gòu)建中間電平,如圖5(b)所示,本設(shè)計中,將中間電平設(shè)置為2.5 V,通過兩個10 kΩ電阻分壓得到,并通過運(yùn)放進(jìn)行隔離輸出。方波-三角波轉(zhuǎn)換電路,如圖5(a)所示,實(shí)際上為積分電路,電流通過6.2 kΩ電阻對100 nf電容進(jìn)行充電,積分電路的時間常數(shù)為620 us,而半個周期的方波時間為52.5 us,只取了積分時間的前8%部分作為三角波的輸出,目的是保留積分曲線相對比較線性的部分。按照電路參數(shù)進(jìn)行仿真,如圖6所示,可以通過示波器觀察到方波與三角波的形態(tài)。

(b)中間電平電路圖5 積分電路與中間電平電路

圖6 方波-三角波轉(zhuǎn)換仿真

2.3 三角波轉(zhuǎn)正弦波電路

如圖7(a)所示,采用低通濾波電路將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波,壓控電壓源二階低通濾波電路是模電教材中的經(jīng)典教學(xué)案例,實(shí)際應(yīng)用也較為廣泛。

(a) 低通濾波電路

(b)波形轉(zhuǎn)換仿真結(jié)果圖7 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換

將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波的關(guān)鍵是要合理設(shè)置低通濾波的截止頻率,濾除三角波中的高頻分量,電路中電阻為1.5 kΩ,電容100 nf,根據(jù)截止頻率計算公式f=1/(2πRC),計算結(jié)果為1061 Hz,如圖7(b)所示,為電路波形轉(zhuǎn)換仿真效果。

2.4 正弦轉(zhuǎn)方波電路

正弦波轉(zhuǎn)方波電路采用模電教材中的同相滯回比較電路,比較器反向端參考電壓由2個10 kΩ電阻分壓得到,為2.5 V,由R16=1 kΩ,R15=100 kΩ,根據(jù)門限寬度計算公式Vout×R16/R15得到寬度為50 mV,仿真結(jié)果如圖8所示。

(a)滯回比較電路

(b)仿真結(jié)果圖8 正弦波-方波轉(zhuǎn)換

3 模擬洞洞板布線

本實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生必須采用洞洞板進(jìn)行焊接,盡管現(xiàn)在雙面印刷電路板的制作成本已經(jīng)非常低廉,但是洞洞板的焊接實(shí)踐也是電類專業(yè)學(xué)生必須要學(xué)習(xí)的實(shí)踐內(nèi)容,有助于練習(xí)焊接基本功,洞洞板焊接時,如果直接對照電路原理圖進(jìn)行焊接連線,由于走線較多,難免會出現(xiàn)漏連和錯連的現(xiàn)象,因此,實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生借助Altium Designer(AD)電路設(shè)計軟件進(jìn)行模擬洞洞板的布線設(shè)計。首先需要按照仿真好的電路圖,在AD中進(jìn)行原理圖的繪制,并為所有元器件添加封裝,為了方便學(xué)生模擬實(shí)際洞洞板進(jìn)行布線,在進(jìn)行PCB設(shè)計時,需按照實(shí)際洞洞板的尺寸與焊盤位置設(shè)計好一個洞洞板的模型,模型中在bottom overlay層畫定了一個方框代表洞洞板實(shí)際尺寸,以2.54 mm的間隔繪制了圓形的陣列,代表洞洞板上的焊盤。布線時,要求走線必須經(jīng)過圓形焊盤,以此來模擬真實(shí)的洞洞板焊接,布線時,每一個焊盤只能經(jīng)過1條線,所有的元件均放置在正面,布線盡量放置在bottom layer,如果底層無法布通的情況下,可以在正面(top layer)走線,但是應(yīng)盡量減少正面走線,因?yàn)檎娴淖呔€意味著在焊接時需要進(jìn)行飛線連接,參考底層布線方案見圖9。

圖9 模擬洞洞板底層布線參考

4 電路測試與教學(xué)檢驗(yàn)

4.1 電路測試

按照本文所述實(shí)驗(yàn)方案在吉林醫(yī)藥學(xué)院18級和19級生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)進(jìn)行2屆教學(xué)實(shí)踐,現(xiàn)以19級學(xué)生教學(xué)實(shí)踐為例進(jìn)行說明,實(shí)驗(yàn)學(xué)時為20學(xué)時,班級人數(shù)40人,采用五級制進(jìn)行成績評定。圖10所示為某一名學(xué)生的焊接作品,圖11為通過示波器得到的實(shí)測波形,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電路設(shè)計方案可行,能夠?qū)崿F(xiàn)波形發(fā)生及轉(zhuǎn)換功能。

(a)正面

(b)背面圖10 學(xué)生焊接作品

(a)555輸出方波

(b)分頻波形

(c)三角波形

(d)正弦波形圖11 學(xué)生作品實(shí)測波形

4.2 教學(xué)檢驗(yàn)

成績劃分的依據(jù)如表2所示,在同一個等次中有多名學(xué)生時,成績排序以完成時間的先后為序,圖12為最終的成績分布,電路功能全部實(shí)現(xiàn)的學(xué)生共有4名,24名學(xué)生的成績分布在中等,沒有不及格的學(xué)生。

圖12 成績分布

表2 成績評定依據(jù)

4.3 反思改進(jìn)

根據(jù)2個期班的考核結(jié)果表明,在20學(xué)時的時間安排下,大多數(shù)學(xué)生能夠完成實(shí)驗(yàn)要求的多數(shù)內(nèi)容,實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生可以完成全部內(nèi)容。但是成績分布不夠正態(tài),多數(shù)學(xué)生成績是中等,也就是剩余2個電路單元的功能沒有實(shí)現(xiàn),完成率并不高。經(jīng)分析及對學(xué)生的調(diào)研,總結(jié)其原因,一是本門課程開設(shè)在大二下學(xué)期,學(xué)生前期課程涉及到動手實(shí)踐的課程比較少,且多屬于驗(yàn)證性和仿真性質(zhì)的實(shí)驗(yàn),對于實(shí)際電路的設(shè)計、焊接和調(diào)試的機(jī)會較少,經(jīng)驗(yàn)不足,而本門課程雖然原理簡明,但是在實(shí)際操作時對儀表操作、軟件使用、電路焊接等能力均有一定要求。二是授課時發(fā)現(xiàn)學(xué)生會在課程中提出很多問題,而在只有1名授課教師的情況下,很難面面俱到地及時解決所有學(xué)生的問題,造成一部分學(xué)生出錯返工,進(jìn)度滯后。

針對以上問題提出改進(jìn)措施,首先,對以往實(shí)踐過程中學(xué)生存在的共性問題進(jìn)行總結(jié),在開始實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行統(tǒng)一的講解,避免錯誤問題重復(fù)發(fā)生。其次,增加課堂教師的配比,按照師生比不低于1∶20進(jìn)行設(shè)置;或者在實(shí)驗(yàn)課前選拔動手能力強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行針對性的培訓(xùn),這樣就可以在課堂時間協(xié)助教師解決其他學(xué)生提出的一些基礎(chǔ)問題。最后,針對部分動手能力較強(qiáng)的學(xué)生,在其完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之后,加入熱轉(zhuǎn)印法制作印刷電路板的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,使其對PCB板的設(shè)計和制作過程有更深入的了解,掌握更加高效的電路設(shè)計和制作方法。

5 結(jié)語

模擬電子綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案考察內(nèi)容較為全面,綜合運(yùn)用了多種電子基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能,考察學(xué)生們的電路仿真與設(shè)計能力、電路板布局布線能力和常用工具儀表的使用熟練程度。通過近兩年的教學(xué)實(shí)踐表明,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置合理,方案設(shè)計可行,經(jīng)學(xué)生反饋,實(shí)踐訓(xùn)練之后,確實(shí)對動手能力的提高有較顯著作用。但尚有待改進(jìn)的空間,將在后續(xù)教學(xué)中加以改進(jìn)。