模擬電子綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

楊風(fēng)健 霍旭陽(yáng) 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(jiān)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(huì)需求的應(yīng)用型人才[2],這就對(duì)當(dāng)前的理工科課程提出了新的要求,需要對(duì)傳統(tǒng)課程實(shí)踐方式做出改革與探索。

對(duì)于電類相關(guān)專業(yè)來(lái)說(shuō),“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(huì)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(wú)法滿足社會(huì)對(duì)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(dòng)手能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,變被動(dòng)為主動(dòng),真正將課程理論知識(shí)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(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的綜合測(cè)評(píng)環(huán)節(jié)中,都會(huì)綜合運(yùn)用“電路分析+模電+數(shù)電”的基本電路知識(shí)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與調(diào)試工作[4],其考驗(yàn)的是學(xué)生對(duì)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(shí)為電賽綜合測(cè)評(píng)進(jìn)行有針對(duì)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(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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(gè)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(shí)要求各部分波形應(yīng)無(wú)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?qǐng)D1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(jì)與仿真分析,仿真驗(yàn)證無(wú)誤后,利用Altium Designer電路設(shè)計(jì)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(jì)與仿真

電路設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)單元的參考電路設(shè)計(jì)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(shí)基發(fā)生電路進(jìn)行設(shè)計(jì),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(jì)如圖3所示。同時(shí),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(guò)分頻電路后會(huì)自動(dòng)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(jì)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(jì)中,將中間電平設(shè)置為2.5 V,通過(guò)兩個(gè)10 kΩ電阻分壓得到,并通過(guò)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(guò)6.2 kΩ電阻對(duì)100 nf電容進(jìn)行充電,積分電路的時(shí)間常數(shù)為620 us,而半個(gè)周期的方波時(shí)間為52.5 us,只取了積分時(shí)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(duì)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(guò)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(jì)算公式f=1/(2πRC),計(jì)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(gè)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(jì)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(shí),如果直接對(duì)照電路原理圖進(jìn)行焊接連線,由于走線較多,難免會(huì)出現(xiàn)漏連和錯(cuò)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(jì)軟件進(jìn)行模擬洞洞板的布線設(shè)計(jì)。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(jì)時(shí),需按照實(shí)際洞洞板的尺寸與焊盤位置設(shè)計(jì)好一個(gè)洞洞板的模型,模型中在bottom overlay層畫(huà)定了一個(gè)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(shí),要求走線必須經(jīng)過(guò)圓形焊盤,以此來(lái)模擬真實(shí)的洞洞板焊接,布線時(shí),每一個(gè)焊盤只能經(jīng)過(guò)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(wú)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(shí)需要進(jìn)行飛線連接,參考底層布線方案見(jiàn)圖9。

圖9 模擬洞洞板底層布線參考

4 電路測(cè)試與教學(xué)檢驗(yàn)

4.1 電路測(cè)試

按照本文所述實(shí)驗(yàn)方案在吉林醫(yī)藥學(xué)院18級(jí)和19級(jí)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(jí)學(xué)生教學(xué)實(shí)踐為例進(jìn)行說(shuō)明,實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為20學(xué)時(shí),班級(jí)人數(shù)40人,采用五級(jí)制進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。圖10所示為某一名學(xué)生的焊接作品,圖11為通過(guò)示波器得到的實(shí)測(cè)波形,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電路設(shè)計(jì)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(cè)波形

4.2 教學(xué)檢驗(yàn)

成績(jī)劃分的依據(jù)如表2所示,在同一個(gè)等次中有多名學(xué)生時(shí),成績(jī)排序以完成時(shí)間的先后為序,圖12為最終的成績(jī)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(jī)分布在中等,沒(méi)有不及格的學(xué)生。

圖12 成績(jī)分布

表2 成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)

4.3 反思改進(jìn)

根據(jù)2個(gè)期班的考核結(jié)果表明,在20學(xué)時(shí)的時(shí)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?jī)?nèi)容。但是成績(jī)分布不夠正態(tài),多數(shù)學(xué)生成績(jī)是中等,也就是剩余2個(gè)電路單元的功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn),完成率并不高。經(jīng)分析及對(duì)學(xué)生的調(diào)研,總結(jié)其原因,一是本門課程開(kāi)設(shè)在大二下學(xué)期,學(xué)生前期課程涉及到動(dòng)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(duì)于實(shí)際電路的設(shè)計(jì)、焊接和調(diào)試的機(jī)會(huì)較少,經(jīng)驗(yàn)不足,而本門課程雖然原理簡(jiǎn)明,但是在實(shí)際操作時(shí)對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生會(huì)在課程中提出很多問(wèn)題,而在只有1名授課教師的情況下,很難面面俱到地及時(shí)解決所有學(xué)生的問(wèn)題,造成一部分學(xué)生出錯(cuò)返工,進(jìn)度滯后。

針對(duì)以上問(wèn)題提出改進(jìn)措施,首先,對(duì)以往實(shí)踐過(guò)程中學(xué)生存在的共性問(wèn)題進(jìn)行總結(jié),在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行統(tǒng)一的講解,避免錯(cuò)誤問(wèn)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(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的培訓(xùn),這樣就可以在課堂時(shí)間協(xié)助教師解決其他學(xué)生提出的一些基礎(chǔ)問(wèn)題。最后,針對(duì)部分動(dòng)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(duì)PCB板的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程有更深入的了解,掌握更加高效的電路設(shè)計(jì)和制作方法。

5 結(jié)語(yǔ)

模擬電子綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)和專業(yè)技能,考察學(xué)生們的電路仿真與設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)可行,經(jīng)學(xué)生反饋,實(shí)踐訓(xùn)練之后,確實(shí)對(duì)動(dòng)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)。