于 蕾，謝 紅，朱海峰

（哈爾濱工程大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

于 蕾，謝 紅，朱海峰

（哈爾濱工程大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

為提高大學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，結(jié)合自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)計(jì)開發(fā)了模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該文介紹了目前全國各大高校相關(guān)課程所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了各類平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念和功能實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)可完成一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)效果良好。

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；自主實(shí)驗(yàn)；動(dòng)手能力

“模擬電子技術(shù)”課程是電氣類、自控類和電子類等專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是所有相關(guān)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。經(jīng)過電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具有了電路方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而實(shí)踐性很強(qiáng)的模電實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，要求學(xué)生進(jìn)一步熟悉并逐漸開始用所學(xué)的知識(shí)獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)電路，因而模電實(shí)驗(yàn)對(duì)鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)、提高學(xué)生觀察和分析問題的能力、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際問題起著重要作用［1］。

為了適應(yīng)國家對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合我校國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)，模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程組開展了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索。針對(duì)模擬電子技術(shù)開放自主實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)要求和培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合本校實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)置的實(shí)際情況，研制開發(fā)了模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)電路板（以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)板）。該實(shí)驗(yàn)板既是模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平臺(tái)，又可作為綜合型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)。

1 常見實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

在開發(fā)實(shí)驗(yàn)板之前，實(shí)驗(yàn)課程組對(duì)國內(nèi)各大工科高校的相關(guān)課程進(jìn)行了調(diào)查總結(jié)，他山之石可以攻玉，以便我們更有效地取長補(bǔ)短，吸取其他院校的經(jīng)驗(yàn)。這里需要說明的是，由于水平有限，而且各個(gè)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念乃至同一高校內(nèi)各個(gè)系的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置都存在差異，所以沒有辦法把所有高校的先進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)平臺(tái)都總結(jié)全。

1.1 模擬電子技術(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一般可分為基礎(chǔ)型、設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次。大部分院校都分別設(shè)置了模擬技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程和課程設(shè)計(jì)。基本的電路模塊如單級(jí)放大電路、運(yùn)算放大器應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分完成。在課程設(shè)計(jì)中完成難度相對(duì)較大的設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，與各高校的學(xué)科特點(diǎn)緊密相關(guān)，難以統(tǒng)一歸類，因此本文只對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分做一總結(jié)。模擬電子技術(shù)基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有以下9個(gè)［2］：1）常用電子儀器使用練習(xí)；2）晶體管共射極單管放大器；3）場(chǎng)效應(yīng)管放大器；4）射極跟隨器；5）負(fù)反饋放大器；6）差動(dòng)放大器；7）集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用；8）低頻功率放大器；9）集成穩(wěn)壓器的使用。

其中，集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用實(shí)驗(yàn)又可以細(xì)分為比例運(yùn)算、積分微分、有源濾波、波形產(chǎn)生和電壓比較器等。

1.2 各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

各院校采用了不同的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以完成上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?，F(xiàn)將這些硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的情況歸納總結(jié)如下。

從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的來源分類，大體可以分成公司單獨(dú)開發(fā)實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)?zāi)K、高校自研以及高校和公司結(jié)合具體情況聯(lián)合開發(fā)3大類。

由公司開發(fā)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱比較常見的有天煌教儀、啟東、唐都等。這些實(shí)驗(yàn)箱大多根據(jù)模電實(shí)驗(yàn)的基本模塊設(shè)計(jì)，模塊種類比較多，實(shí)驗(yàn)箱本身性能較好，樣式精美。美國國家儀器公司NI（National Instruments）的NI ELVIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不僅可以在平臺(tái)上完成硬件電路實(shí)驗(yàn)，配合NI公司的硬件數(shù)據(jù)采集卡、NI Multisim及NI Lab-VIEW軟件，可以進(jìn)行更高端的網(wǎng)絡(luò)化科研和教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)。缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴，除了ELVIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)本身，還需要購買配套的軟硬件。感興趣的高校可以與NI公司洽談高校計(jì)劃以獲得院校優(yōu)惠［3］。

高校自己研發(fā)的實(shí)驗(yàn)箱往往根據(jù)各高校實(shí)際的設(shè)課情況和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)開發(fā)，適合本校實(shí)際情況，更加經(jīng)濟(jì)。對(duì)于教師來說，也可以提高自己科研水平。有些高校還擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的適用性，將幾門課程的內(nèi)容結(jié)合在一起開發(fā)實(shí)驗(yàn)箱，例如將數(shù)電實(shí)驗(yàn)和模電實(shí)驗(yàn)組合在一起做成一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱。但有一定局限，往往不能通用，而且工藝也粗糙一些。

有些高校則和公司聯(lián)合，結(jié)合本校實(shí)際情況，與公司合作開發(fā)實(shí)驗(yàn)箱，既能夠適合本校使用，同時(shí)制作工藝也比較精良，使用便利。

從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作方式來分，大體可以分為以下3類。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K式

模塊式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將模擬電子技術(shù)按照前面所講的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成若干模塊，如三極管放大模塊、集成功放應(yīng)用模塊、運(yùn)放比例應(yīng)用模塊等。在實(shí)驗(yàn)?zāi)K的各個(gè)連接點(diǎn)上留好測(cè)試端子，便于測(cè)量各種技術(shù)指標(biāo)。有的實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)還集成了穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器或者其他的儀器模塊。這種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)單清晰，但是器件固定，隱藏在實(shí)驗(yàn)板之下，學(xué)生對(duì)實(shí)際器件和電路并沒有理解，只能按部就班地測(cè)量固定測(cè)試端子上的電壓，沒有發(fā)揮的余地，只適合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)［4］。

有的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行了改進(jìn)，將實(shí)際的元器件焊接在實(shí)驗(yàn)板正面；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)板上設(shè)計(jì)了短路模塊或者連接端子，提供2～3個(gè)元器件供選擇。解決了之前固定實(shí)驗(yàn)?zāi)K的部分問題，學(xué)生可以見到真實(shí)的元器件，也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)電路做適當(dāng)修改，但是改動(dòng)范圍較小。

1.2.2 插接式

插接式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更進(jìn)一步解決了部分問題。實(shí)驗(yàn)箱主體是核心器件三極管和運(yùn)放等，四周按照元件種類排列，將各個(gè)元器件管腳留出端子。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)用連接線連接各元件對(duì)應(yīng)的端子，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路，測(cè)試相應(yīng)指標(biāo)。這種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)嶋H動(dòng)手搭建電路，讓學(xué)生理解電路結(jié)構(gòu)，提高動(dòng)手能力。缺點(diǎn)是元器件的種類仍然不夠豐富，而且這種連接端子長時(shí)間使用之后，容易松動(dòng)，接觸不良，實(shí)驗(yàn)往往不能成功。

1.2.3 面包板式

從上述兩種實(shí)驗(yàn)箱可以看出，這種固定元件的實(shí)驗(yàn)箱，往往受到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體積限制，只能提供有限數(shù)量的元器件，不適合研究型和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

面包板是專為電子電路的無焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的。由于各種電子元器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出，節(jié)省了電路的組裝時(shí)間，而且元件可以重復(fù)使用，適用于元器件較少，對(duì)信號(hào)干擾要求較低，電路流通電流不大，臨時(shí)實(shí)驗(yàn)用的電路，成本較低。所以非常適合電子電路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練［5－7］。因此，一些高校采用了面包板作為電路搭建的平臺(tái)，如圖1所示。

2 自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 教學(xué)模式

我校模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)合并成一門電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。這里只介紹模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)部分。

模電實(shí)驗(yàn)部分共16學(xué)時(shí)，設(shè)置4次實(shí)驗(yàn)，采用循序漸進(jìn)原則，采用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分級(jí)化的模式。“實(shí)驗(yàn)分級(jí)化”是每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目至少設(shè)A、B、C三級(jí)，難度系數(shù)分別為0.8、0.9、1.0，學(xué)生可根據(jù)自身情況自選實(shí)驗(yàn)等級(jí)，可以完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)選題。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括低頻放大電路、功率放大電路和集成運(yùn)放應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等。

圖1 面包板式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)展過程

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)一直依托于我校國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，也使用過多種硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在2003年以前，使用的是從儀器儀表廠家購買的固定模塊實(shí)驗(yàn)箱，因?yàn)榧s束較多，從2003年開始，直接在面包板上搭建電路。這樣實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以更加豐富飽滿，研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也可開展，學(xué)生對(duì)于電路結(jié)構(gòu)理解更為明確，出現(xiàn)故障能夠勤動(dòng)腦解決故障，能夠提高學(xué)生動(dòng)手能力。但是運(yùn)行多年，面包板經(jīng)常發(fā)生接觸不良現(xiàn)象；如果電路稍復(fù)雜些，就容易連錯(cuò)。在需要通過很大電流或微弱信號(hào)處理的場(chǎng)合，面包板的分布參數(shù)影響很大。而且，模電實(shí)驗(yàn)需要外接多臺(tái)儀器儀表，面包板上無法固定，接儀器時(shí)還經(jīng)常把安裝好的電路弄散［9］。

2012年和2013年，模電實(shí)驗(yàn)又進(jìn)行了小規(guī)模的試點(diǎn)，在萬用板上進(jìn)行焊接、搭建電路和測(cè)試。這種模式是學(xué)生在實(shí)際工作中真正能夠用到的。例如，電子大賽中的一些簡(jiǎn)單模塊就會(huì)焊接在萬用板上，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又有較廣的適用范圍。

試點(diǎn)中也發(fā)現(xiàn)了很多問題。模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生遇到的第二門電類專業(yè)課程，之前的電路實(shí)驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，都是在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行測(cè)試。到了模電實(shí)驗(yàn)，完全在萬用板上焊接就會(huì)出現(xiàn)以下3個(gè)方面問題。

1）焊接技術(shù)不過關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)短路或斷路的問題。

2）電路結(jié)構(gòu)理解不充分。理論課的電路形式與實(shí)驗(yàn)中元器件的搭建結(jié)構(gòu)無法統(tǒng)一起來，非常容易出現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤，元件對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤或者是漏焊元件之類的問題。

3）檢查故障、更改電路比較麻煩。當(dāng)出現(xiàn)電路故障或者測(cè)量問題時(shí)，由于電路千奇百怪，學(xué)生檢查故障或者老師輔導(dǎo)都非常費(fèi)勁，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。即使檢查出了問題，更改電路也比較麻煩，往往需要重新焊接電路。

因此，經(jīng)常有學(xué)生將實(shí)驗(yàn)時(shí)間大部分都花在了焊接和檢查上，根本無法正常完成實(shí)驗(yàn)。

從上面介紹可以看出，在萬用板上焊接不適用于模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分，在綜合應(yīng)用或者研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中可以采用。

2.3 設(shè)計(jì)理念和功能

為了配合自主型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，我們?cè)谘兄茖?shí)驗(yàn)平臺(tái)過程中，在充分考慮實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體情況和具體要求的前提下，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及平臺(tái)的擴(kuò)展性、可持續(xù)性等諸多因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面［8－10］。

1）與理論課程內(nèi)容緊密聯(lián)系。模擬電子技術(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證和掌握，一些電學(xué)參數(shù)和特性，如單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、頻響特性曲線等需要搭建電路后通過儀器設(shè)備測(cè)量來獲得。因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)與理論課程內(nèi)容緊密聯(lián)系，涵蓋實(shí)驗(yàn)課程規(guī)定的全部?jī)?nèi)容。

2）滿足不同層次實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求，且具有一定的擴(kuò)展性。研制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，需要打破傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)觀念，為學(xué)生提供一個(gè)進(jìn)行不同層次實(shí)驗(yàn)的公用平臺(tái)［11－12］。

3）功能模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成獨(dú)立的功能模塊，比如有分立元件模塊、功放模塊、運(yùn)放模塊等。

4）提高學(xué)生的獨(dú)立思維能力和動(dòng)手能力，減少不必要的時(shí)間花銷。既要學(xué)生能夠逐步掌握電子焊接技術(shù)，又要能夠熟練掌握模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)基本測(cè)試內(nèi)容。研制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，應(yīng)選用高質(zhì)量和高可靠性的元器件，以保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的質(zhì)量；應(yīng)考慮安裝在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作面板上的元器件易于拆卸，方便清潔和維修［13－15］。

在電工電子實(shí)驗(yàn)中心的支持下，2014年模電實(shí)驗(yàn)的硬件教學(xué)模塊又進(jìn)行了更新，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)板上直接焊接電路。在綜合考慮了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際情況后，硬件實(shí)驗(yàn)板一共有3類，分別是低頻放大器實(shí)驗(yàn)板、功率放大器實(shí)驗(yàn)板和運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板，如圖2和圖3所示。

在低頻放大器實(shí)驗(yàn)板上可以完成與晶體管相關(guān)的除了差動(dòng)放大電路的所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，例如簡(jiǎn)單共射接法放大電路、工作點(diǎn)穩(wěn)定電路、共集接法放大電路、兩級(jí)放大電路、負(fù)反饋放大電路等等。功率放大器實(shí)驗(yàn)板可以完成LM386的各種實(shí)驗(yàn)，例如功率放大、方波發(fā)生和低音提升等。運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到通用性的問題，只有8腳和14腳空插座和焊盤，并沒有外接其他元件，便于學(xué)生在上面焊接各種電路。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板時(shí)，為了避免過度損耗，實(shí)驗(yàn)板的焊盤做得比較結(jié)實(shí)，便于學(xué)生多次使用。

目前模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程組生產(chǎn)了100套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，已配置在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，用于電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：三極管放大電路、負(fù)反饋放大電路、功率放大電路、運(yùn)算放大器基本功能電路、波形產(chǎn)生電路、波形變換電路等等。

圖2 低頻放大器實(shí)驗(yàn)板

圖3 運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板

3 結(jié)束語

結(jié)合本系電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，研發(fā)適用于自主實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，又幫助學(xué)生理解理論教學(xué)中的各種電路形式和結(jié)構(gòu)。借助該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅可以滿足電類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)，同時(shí)還可滿足綜合課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及研究型實(shí)驗(yàn)的要求，有利于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)一步改革，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

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Research and Design of Electronic Technology Experimental Platform

YU Lei，XIE Hong，ZHU Haifeng
（Electrotechnics and Electronics Experiment Teaching Center，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to improve the practical ability and innovation ability of college students，combined with independent experimental mode，an analogue circuit technology experiment platform is designed and developed.This paper introduces the experimental platforms currently used in the related courses of colleges and universities，analyzes the advantages and disadvantages of each platform，and expounds the design concept and function realization of the electronic technology experiment platform.The platform can complete a series of experimental design.The experimental teaching application results show that this platform has good teaching results.

analog circuit experiment，experimental platform，self－experiment，practical ability

TN710

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.020

2015－03－30；修改日期：2015－04－15

2013年哈爾濱工程大學(xué)高等學(xué)校教育教學(xué)改革重點(diǎn)資助項(xiàng)目（JG2013ZD06）；2014年哈爾濱工程大學(xué)教育教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)資助項(xiàng)目（SYJG2040801）。

于蕾（1977－），女，博士，副教授，主要從事電子技術(shù)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)建設(shè)、管理與規(guī)劃工作。