模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探索與研究

孫建 鄒欣 徐林 李曉寒 陳明生 寧旭

【摘要】針對(duì)我校傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，我校開(kāi)展了模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探索和研究。實(shí)施后，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力取得了很好效果，契合了我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】模擬電子技術(shù);設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

《模擬電子技術(shù)》是我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要學(xué)習(xí)模擬電信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理、變換的基本原理、基本電路和基本分析方法，培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員對(duì)各種功能電路工作原理的定性、定量分析能力，電路系統(tǒng)性能指標(biāo)的選擇、計(jì)算能力，以及培養(yǎng)對(duì)模擬電路系統(tǒng)的綜合應(yīng)用和設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和掌握醫(yī)療設(shè)備的工作原理，奠定電子技術(shù)理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，使學(xué)員在未來(lái)服務(wù)于軍隊(duì)醫(yī)療和科研時(shí)具有較系統(tǒng)的模擬電子技術(shù)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能。

模擬電子技術(shù)是一門工程學(xué)、實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，它涉及的知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生理解起來(lái)很抽象，所以在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須注重實(shí)驗(yàn)的重要性。我校模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)包括：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面的內(nèi)容?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：晶體管單管電壓放大器的性能調(diào)試、差分放大器的測(cè)試、集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)用、有源濾波器的調(diào)試與頻率特性的測(cè)量、功率放大器電路的測(cè)試、直流穩(wěn)壓電壓的安裝和調(diào)試。

在以往基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，主要存在以下問(wèn)題：（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以教材給出的電路為基礎(chǔ)進(jìn)行展開(kāi)，一般設(shè)計(jì)為3個(gè)學(xué)時(shí)，教師講解30分鐘左右，然后由學(xué)生動(dòng)手，重在讓學(xué)員熟悉電路的基本組成和性能參數(shù)。由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)的目的僅僅停留在對(duì)基本電子和電工設(shè)備的安裝、調(diào)試、測(cè)試方法等基本技能上，缺乏對(duì)學(xué)員獨(dú)立設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)思維的鍛煉，以致解決實(shí)際問(wèn)題的能力不強(qiáng);（2）有些同學(xué)參數(shù)測(cè)試完成后，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，對(duì)測(cè)試結(jié)果的可靠性判斷能力差，不清楚到底自己測(cè)試的數(shù)據(jù)是否正確，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)做得不是很理想，這也從某種層面反映了學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握程度;（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容雖然緊扣課本每章節(jié)內(nèi)容，學(xué)生反映出來(lái)的積極性不夠，覺(jué)得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在理論課中已經(jīng)詳細(xì)介紹了，重視程度不夠，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣不高[1]。

針對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，我校嘗試性的開(kāi)展了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。首先是選題，考慮到我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)方向，我們選取了與醫(yī)學(xué)相關(guān)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課題進(jìn)行開(kāi)展，于是我們選取了一個(gè)簡(jiǎn)單但是很具有代表性的目的：脈搏信號(hào)采集接口電路的設(shè)計(jì)。并且對(duì)設(shè)計(jì)的具體要求進(jìn)行了說(shuō)明：根據(jù)要求設(shè)計(jì)紅外光電傳感器的脈搏信號(hào)采集接口放大電路，并制作，搭建實(shí)驗(yàn)電路板并制版，利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器等電子設(shè)備對(duì)接口電路進(jìn)行調(diào)試，完成接入紅外光電傳感器檢測(cè)手指脈搏波，并記錄波形，然后將脈搏波信號(hào)整形為方波信號(hào)。并且要求紅外光電傳感器接口電路的頻率范圍為0.1-30Hz;接口電路放大器增益A>=1500倍;集成運(yùn)算放大器要求采用雙電源供電。

我們的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)按照表1進(jìn)行開(kāi)展實(shí)施：設(shè)計(jì)6個(gè)課次進(jìn)行，總學(xué)時(shí)為44學(xué)時(shí)，按照6個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行。

1.確定設(shè)計(jì)方案

在開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)前一個(gè)月，我們將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容布置下去，讓學(xué)員對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容預(yù)先有所認(rèn)識(shí)和了解，并且進(jìn)行分組，2-3人一組。考慮到我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)科目多的實(shí)際問(wèn)題，我們?cè)谡n堂上也專門安排了4個(gè)學(xué)時(shí)的文獻(xiàn)查閱和閱讀時(shí)間，并且以組為單位設(shè)計(jì)方案，安排2個(gè)學(xué)時(shí)時(shí)間，每組派代表對(duì)自己設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)方案初步匯報(bào)，初步匯報(bào)的任務(wù)是讓學(xué)員們對(duì)整個(gè)電路設(shè)計(jì)的模塊有個(gè)確定的把控，讓學(xué)生們弄清楚脈搏信號(hào)的組成，來(lái)源，信號(hào)特征，利用紅外光電傳感器采集的脈搏信號(hào)特征，重點(diǎn)要弄清楚在脈搏信號(hào)采集過(guò)程中的有哪些干擾信號(hào)，如何濾除干擾和脈搏信號(hào)采集接口電路組成的基本模塊。

通過(guò)學(xué)生的預(yù)匯報(bào)，發(fā)現(xiàn)組與組之間查閱文獻(xiàn)有很多是相同的，學(xué)生們積極性很高，通過(guò)匯報(bào)的方式開(kāi)展反映效果好。預(yù)匯報(bào)后，以組為單位再進(jìn)行方案的修正，再安排兩個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行方案的最終確定，這次方案要求拿出實(shí)際設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)，電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。通過(guò)匯報(bào)的方式，可以讓組與組之間發(fā)現(xiàn)自己電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題，也開(kāi)闊了設(shè)計(jì)的思路。

2.電路仿真

方案設(shè)計(jì)好之后，首先要利用軟件的方式來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可靠性。軟件仿真統(tǒng)一的采用Mutisium軟件進(jìn)行，Mutisium軟件涵蓋了模擬電子技術(shù)常用的芯片和基本元器件，學(xué)員可以很方便的進(jìn)行電路圖的連接，加入包含噪聲信號(hào)的信號(hào)源，利用示波器進(jìn)行觀察，檢測(cè)輸出、輸入?yún)?shù)是否和設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)一致。軟件仿真進(jìn)一步加強(qiáng)了設(shè)計(jì)方案的可靠性。在仿真過(guò)程中一定要求學(xué)員逐級(jí)電路進(jìn)行仿真，很多同學(xué)將整個(gè)設(shè)計(jì)電路連接起來(lái)，結(jié)果輸出結(jié)果不正確，這時(shí)候就無(wú)法判定到底是哪一級(jí)電路出現(xiàn)了問(wèn)題，同時(shí)要提示學(xué)員注意電路級(jí)與級(jí)之間的耦合干擾，要求學(xué)員記錄每一級(jí)電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)和總電路的動(dòng)靜態(tài)參數(shù)。

3.方案電路測(cè)試

通過(guò)軟件仿真后，方案電路測(cè)試是利用模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)電路箱，通過(guò)硬件方式

來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)方案的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生們?cè)陂_(kāi)展了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)之后，已經(jīng)非常的熟悉。這時(shí)候輸入信號(hào)選擇利用紅外脈搏傳感器直接輸出的信號(hào)，也可以按照軟件仿真的方式逐級(jí)進(jìn)行硬件電路連接，記錄每一級(jí)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參數(shù)和總電路的動(dòng)靜態(tài)性能參數(shù)。在設(shè)計(jì)操作中，提示學(xué)生采用紅外光電方式采集脈搏信號(hào)的工作原理，紅外光電正常工作時(shí)是有一個(gè)工作電流范圍的，一定要加限流電阻保證紅外光電管工作在正常的工作電流范圍內(nèi)。

4.PCB版設(shè)計(jì)及焊接

在軟件仿真和硬件仿真無(wú)誤后，就需要考慮PCB制版了，很多生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的現(xiàn)狀是沒(méi)有重視PCB版的設(shè)計(jì)，甚至很多高校沒(méi)有給學(xué)員創(chuàng)造PCB設(shè)計(jì)和焊接的機(jī)會(huì)。PCB版設(shè)計(jì)采用Protel開(kāi)展，讓學(xué)員了解印刷電路板的版圖設(shè)計(jì)，需要考慮外部和內(nèi)部電子元件連接的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、熱耗散等各種因素甚至電磁保護(hù)等問(wèn)題。PCB版制備完之后，以組為單位，由教師進(jìn)行PCB版的加工制作，制作完之后，以組為單位完成元器件的焊接。

5.電路板調(diào)試

焊接成功之后，就需要對(duì)電路板進(jìn)行調(diào)試。這時(shí)候以人體脈搏源信號(hào)為基礎(chǔ)，對(duì)人體脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并且利用示波器進(jìn)行顯示，在實(shí)施過(guò)程中，也要求學(xué)員逐級(jí)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，記錄每級(jí)電路的靜動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和記錄。

6.考核

考核是本次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展情況的總結(jié)匯報(bào)，以幻燈講解和現(xiàn)場(chǎng)功能演示的手段開(kāi)展，匯報(bào)講解內(nèi)容包括軟件、硬件仿真以及電路板性能參數(shù)設(shè)置和評(píng)價(jià)體會(huì)，并且由評(píng)委老師當(dāng)堂打分，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

表1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)施計(jì)劃

課次 學(xué)時(shí) 內(nèi) ? ?容

1 8 查詢并閱讀文獻(xiàn)，研討確定設(shè)計(jì)方案

2 4 使用Mutisim軟件進(jìn)行電路仿真

3 8 方案電路測(cè)試（實(shí)驗(yàn)箱）

4 12 PCB版設(shè)計(jì)及組裝焊接元器件

5 8 電路板調(diào)試

6 4 考核（幻燈講解、現(xiàn)場(chǎng)功能演示）

通過(guò)本次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生們對(duì)模擬電子技術(shù)內(nèi)容有了更深入的認(rèn)識(shí)，學(xué)生普遍反映較好。以組為單位促進(jìn)了學(xué)員之間的團(tuán)結(jié)合作精神的培養(yǎng)，學(xué)生們的綜合能力得到了提高，對(duì)模擬電子技術(shù)理論有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，將模擬電子技術(shù)知識(shí)與我校的醫(yī)學(xué)背景緊密聯(lián)系起來(lái)，提高了學(xué)生的積極性?？傊M電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在我校模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展中是非常重要的，對(duì)我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的未來(lái)發(fā)展是非常必要的，必須不斷的探索和研究。

參考文獻(xiàn)

[1]模擬電子技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)經(jīng)驗(yàn)淺談[J].電子技術(shù)，2012，4：26-27.