基于自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)研究

石婷　張國英　孫慧平　雷飛

［摘 要］ 針對(duì)當(dāng)前模擬電路和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)缺少統(tǒng)一完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的問題，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了滿足電類和非電類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)要求的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)包括電源、單管放大電路、運(yùn)算放大電路、功率放大電路、脈沖電路、顯示電路等實(shí)驗(yàn)?zāi)K，集模電、數(shù)電、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)于一體，可獨(dú)立可綜合地展示不同電路的實(shí)驗(yàn)過程。主要設(shè)計(jì)了基于自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)，實(shí)踐表明綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐熱情，使學(xué)生了解和掌握了擴(kuò)音機(jī)的原理、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法、調(diào)試方法等，加深了學(xué)生對(duì)模擬電路知識(shí)的理解。

［關(guān)鍵詞］ 自主設(shè)計(jì)；綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；模擬電路；擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度教育部“基于羅克韋爾工業(yè)的‘新工科產(chǎn)學(xué)研賽師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)”（202102341001）；2021年度教育部“基于TI器件的電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)開發(fā)”（202102165002）；2021年度北京工業(yè)大學(xué)“電子技術(shù)基礎(chǔ)及課程設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（202103）

［作者簡介］ 石 婷（1984—），女，內(nèi)蒙古包頭人，博士，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，人工智能與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心主任（通信作者），主要從事電工電子、人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究；雷 飛（1972—），男，安徽桐城人，博士，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部副教授，教務(wù)處副處長，主要從事機(jī)器人、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）24-0005-04 ［收稿日期］ 2022-05-05

引言

“電子技術(shù)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是根據(jù)電子學(xué)的原理，運(yùn)用電子元器件設(shè)計(jì)和制造某種特定功能的電路以解決實(shí)際問題的科學(xué)，包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。信息電子技術(shù)包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，是對(duì)電子信號(hào)進(jìn)行處理的技術(shù)，處理的方式主要包括信號(hào)的發(fā)生、放大、濾波、轉(zhuǎn)換［1］。2019年北京工業(yè)大學(xué)傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程（包括“數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)”和“模擬電路實(shí)驗(yàn)”）采用了本校自主設(shè)計(jì)研發(fā)的自制綜合實(shí)驗(yàn)箱，代替了傳統(tǒng)的數(shù)模電實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行授課。該實(shí)驗(yàn)箱包括數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)部分，由整體實(shí)驗(yàn)底座和各分實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成。每個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)功能，包括電源模塊、音頻放大器模塊、功率放大器、脈沖發(fā)生器、數(shù)碼顯示模塊等，把多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K連接到一起可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)功能。該實(shí)驗(yàn)箱包含的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目廣泛，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有難度梯度，可實(shí)現(xiàn)從簡單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐系統(tǒng)訓(xùn)練等，滿足不同年齡、不同專業(yè)、不同要求的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。本文主要闡述了基于自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。經(jīng)過自動(dòng)化、機(jī)器人工程、人工智能、電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)電類專業(yè)16個(gè)班學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的效果和反饋，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐水平［2］。

一、擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用方法

我校秉承“寬口徑，厚基礎(chǔ)，重應(yīng)用，促創(chuàng)新的教學(xué)理念，注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是為了更好地實(shí)踐這一教學(xué)理念應(yīng)運(yùn)而生，可支撐“電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)1&2”“電路與電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等多門實(shí)驗(yàn)課程［3］。綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由底座和各實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，如圖1（a）所示，給實(shí)驗(yàn)?zāi)K預(yù)留位置，各位置的實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源地線等相通；是實(shí)驗(yàn)?zāi)K的存放位置。學(xué)生應(yīng)先掌握綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法，該平臺(tái)應(yīng)用于教學(xué)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)K面包板是雙面面包板，如圖1（b）所示，正面是傳統(tǒng)的可插接元器件和導(dǎo)線的網(wǎng)孔，并且相鄰兩排之間的上下小孔相通；反面是插針，可以通過短路帽連接，進(jìn)而對(duì)正面的網(wǎng)孔進(jìn)行縱向和橫向擴(kuò)展。（2）實(shí)驗(yàn)靈活度很高，每個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)?zāi)K可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)功能，多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K組合在一起可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)功能，實(shí)驗(yàn)?zāi)K既可以是綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自帶的成型模塊，也可以是學(xué)生自己焊接或搭接制作的模塊，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的任一成型模塊可以被學(xué)生自己制作的實(shí)驗(yàn)?zāi)K替代，這樣不僅可以檢驗(yàn)學(xué)生自己做的實(shí)驗(yàn)?zāi)K是否正確，還可讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成可以是多元化的。（3）實(shí)驗(yàn)箱的使用范圍非常廣泛，該自主研發(fā)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)目前可完成的實(shí)驗(yàn)包括模擬電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等，還可進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，比如單片機(jī)實(shí)驗(yàn)等，解決了傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)室需要一堆實(shí)驗(yàn)箱做各種實(shí)驗(yàn)的困擾，這一套實(shí)驗(yàn)箱幾乎可以覆蓋所有實(shí)驗(yàn)。（4）實(shí)驗(yàn)箱可發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，該自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱相比，既可做系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，也可做獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，還可對(duì)其中模塊進(jìn)行替換，基于這些實(shí)驗(yàn)?zāi)K開發(fā)設(shè)計(jì)其他系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性［4-5］。

自主綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可替代實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括網(wǎng)孔板和面包板（如圖1），兩個(gè)板子的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)相同。網(wǎng)孔板是實(shí)驗(yàn)中用于焊接電路的重要工具，面包板是實(shí)驗(yàn)室中用于搭接電路的重要工具，熟練掌握網(wǎng)孔板和面包板的使用方法是提高實(shí)驗(yàn)效率、減少實(shí)驗(yàn)故障概率的重要基礎(chǔ)之一［6］。電源和地線都有清晰的區(qū)域，最上面一排網(wǎng)孔相通常作為電源區(qū)域，左右下三邊網(wǎng)孔相通常作為地區(qū)域。對(duì)于面包板，可以通過背面連接短路帽橫向或縱向擴(kuò)展連接孔［7-8］。

二、擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)原理

先介紹擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)的總體組成框圖，對(duì)擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)各實(shí)驗(yàn)功能模塊進(jìn)行較為深入的介紹。小型擴(kuò)音機(jī)系統(tǒng)由下列幾大部分組成（如圖2），整體系統(tǒng)的供電由綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供：（1）信號(hào)源——送話器（麥克）可將人的語音或手機(jī)播放的語音（音樂）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，實(shí)驗(yàn)時(shí)也可以用信號(hào)源（函數(shù)發(fā)生器）輸出正弦波信號(hào)，輸出2 mV～3 mV（輸出幅度可在100 mV～1 000 mV間，后經(jīng)分壓電阻分壓）信號(hào)給話筒放大器。信號(hào)源輸出信號(hào)的頻率可在1 kHz左右。（2）話筒放大器也稱前置放大器，由晶體管組成共發(fā)射極放大電路，放大倍數(shù)在5倍左右，輸出電壓在10 mV～15 mV之間，稍大或稍小均可，以波形不失真為準(zhǔn)。（3）主放大器由運(yùn)算放大器組成放大電路，放大倍數(shù)在10倍左右，輸出電壓在100 mV～150 mV之間，正弦波信號(hào)應(yīng)不失真。（4）功率放大器由OTL（Output Transformer Less）推挽式無輸出變壓器功率放大電路、OCL（Output Capacitor Less）無輸出耦合電容的功率放大器、BTL（Balanced Transformer Less或Bridge Transformerless）平衡式無輸出變壓器、橋式推挽電路組成，供電電壓為5 V，輸出不失真電壓范圍在1 V～2 V之間，負(fù)載為8 Ω的揚(yáng)聲器（小喇叭）。

三、擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程如圖3所示，主體部分是自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)由信號(hào)源提供信號(hào)，用示波器測量信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程主要分為定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)兩種，定性實(shí)驗(yàn)主要觀察聲音放大的效果，定量實(shí)驗(yàn)具體測量信號(hào)的電壓幅度變化等。

（一）定性式的實(shí)驗(yàn)步驟及主要內(nèi)容

1.認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及相關(guān)資料，熟悉綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及各電路模塊的結(jié)構(gòu)與作用。

2.找出各電路模塊的電源接入端、接地端，信號(hào)的輸入、輸出等的引入引出端口，將電路模塊插入相應(yīng)的位置（按圖3插入三個(gè)電路模塊）。

3.檢查無誤后，接通+5 V直流電源，用數(shù)字萬用表檢查各電路模塊電源接入端對(duì)地端的電壓是否正常。

4.用送話器輸入語音，用示波器觀察揚(yáng)聲器兩端信號(hào)的變化波形，同時(shí)注意揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音。

5.用手機(jī)發(fā)出的語音或音樂，送入送話器，重復(fù)上述“4”的實(shí)驗(yàn)。

（二）定量式的實(shí)驗(yàn)步驟及主要內(nèi)容

1.用信號(hào)源輸出頻率為1 kHz，幅值為2 mV～3 mV的正弦波信號(hào)。

2.用示波器觀察各電路模塊輸入、輸出的波形，并讀出其電壓值，填入表1。

3.調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出信號(hào)的頻率（在0.1 kHz～8 kHz之間），觀察各放大電路模塊輸入、輸出端信號(hào)的波形與幅度隨頻率變化的狀態(tài)，并將變化的情況計(jì)入表2。

4.調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出信號(hào)的頻率（頻率為1 kHz不變），觀察各放大電路模塊輸入、輸出端信號(hào)的波形隨幅度變化的狀態(tài)，并將變化的情況計(jì)入表3。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

定性實(shí)驗(yàn)中，以人耳可分辨的精度能聽到聲音有了明顯的放大效果，更換功率實(shí)驗(yàn)?zāi)K時(shí)，OCL與BTL實(shí)驗(yàn)?zāi)K的放大效果相近，同時(shí)都優(yōu)于OCL實(shí)驗(yàn)?zāi)K的放大效果。在定量實(shí)驗(yàn)中，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2、表3所示，三級(jí)放大電路的放大倍數(shù)依次為：話筒放大器的放大倍數(shù)約為3～5倍、主放大器的放大倍數(shù)約為10倍左右、BTL功率放大器的放大倍數(shù)約為8～10倍、擴(kuò)音機(jī)系統(tǒng)的整體放大倍數(shù)能達(dá)到250～500倍。同時(shí)在輸入信號(hào)幅值不變的情況下，輸入信號(hào)的頻率過低或過高都會(huì)影響放大倍數(shù)，使放大倍數(shù)減小，聲音的放大效果減弱；在輸入信號(hào)頻率不變的情況下，輸入信號(hào)的幅度減小，輸出信號(hào)也減小，輸入信號(hào)的幅度增大，輸出信號(hào)也增大，當(dāng)輸出信號(hào)較大時(shí)，OCL的不失真效果要優(yōu)于BTL和OTL實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

結(jié)語

擴(kuò)音機(jī)小系統(tǒng)針對(duì)聲音的放大過程包括電源、單管放大、運(yùn)算放大、功率放大等相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)K，系統(tǒng)展示了聲音信號(hào)輸入、放大、處理的整個(gè)流程。該系統(tǒng)不僅有利于加深學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)的理解、綜合知識(shí)的運(yùn)用，還有利于實(shí)踐動(dòng)手能力的提高，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索創(chuàng)新的能力。同時(shí)，本系統(tǒng)為傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的改革與創(chuàng)新提供了新思路和新途徑。

參考文獻(xiàn)

［1］岳昊嵩，張秀磊，張靜，等.基于集成運(yùn)算放大器的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2020（11）：34-35+39.

［2］黃烈銘.淺談電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.移動(dòng)信息，2018（7）：39-40.

［3］賀杏妹.關(guān)于高職學(xué)生就業(yè)問題的思考［J］.智庫時(shí)代，2017（6）：115-116.

［4］王越男，田思慶.“工程教育”背景下自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式實(shí)踐［J］.教書育人（高教論壇），2020（15）：12-13.

［5］王培元.新工科背景下電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化課程建設(shè)探究［J］.輕工科技，2019，35（2）：164-165.

［6］董建彬，王軍芬，馬艷玲.電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)考核體系的構(gòu)建與實(shí)踐［J］.輕工科技，2021，37（9）：132-133.

［7］周子楠.電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)的實(shí)踐研究初探［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育（高職高專），2021（38）：184-185.

［8］徐美娟.仿真在共發(fā)射極基本放大電路教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電子測試，2020（21）：131-132+138.

A Small System of Amplifier Based on Self-designed Comprehensive Experimental Platform

SHI Ting， ZHANG Guo-ying， SUN Hui-ping， LEI Fei

（Faculty of Information Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： In view of the lack of unified and complete experimental platforms for the current analog circuit and digital circuit experiments， a comprehensive experimental platform is independently designed and developed to meet the practical teaching requirements of electrical and non-electrical majors. The system includes power supply， single tube amplifier circuit， operational amplifier circuit， power amplifier circuit， pulse circuit， display circuit and other experimental modules. The self-designed platform includes analog circuit， digital circuit and single-chip microcomputer experiments， which can independently and comprehensively display different the experimental process. A small system of amplifier based on self-designed comprehensive experimental platform is designed. Practice shows that the system stimulates experimental enthusiasm and interests of students. Students can better understand and master the principles， characteristics， implementation methods and debugging methods of amplifiers， which deepens their understanding of analog circuit knowledge.

Key words： independent design; comprehensive experimental platform; analog circuit; small amplifier system