于 蕾，謝 紅，朱海峰

（哈爾濱工程大學 電工電子實驗教學中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

模擬電子技術(shù)實驗平臺研究與設(shè)計

于 蕾，謝 紅，朱海峰

（哈爾濱工程大學 電工電子實驗教學中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

為提高大學生的動手能力和創(chuàng)新能力，結(jié)合自主實驗模式，設(shè)計開發(fā)了模擬電子技術(shù)實驗平臺。該文介紹了目前全國各大高校相關(guān)課程所使用的實驗平臺，分析了各類平臺的優(yōu)缺點，闡述了電子技術(shù)實驗平臺的設(shè)計理念和功能實現(xiàn)。該平臺可完成一系列實驗設(shè)計，實驗教學的應用結(jié)果表明，實驗平臺的教學效果良好。

模擬電子技術(shù)實驗；實驗平臺；自主實驗；動手能力

“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)實驗的學習，學生已具有了電路方面的基礎(chǔ)知識，而實踐性很強的模電實驗的開設(shè)，要求學生進一步熟悉并逐漸開始用所學的知識獨立分析、設(shè)計電路，因而模電實驗對鞏固學生所學知識、提高學生觀察和分析問題的能力、培養(yǎng)學生動手解決實際問題起著重要作用［1］。

為了適應國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合我校國家級電工電子實驗教學示范中心建設(shè)，模擬電子技術(shù)實驗課程組開展了基礎(chǔ)實驗教學的開放自主實驗教學模式探索。針對模擬電子技術(shù)開放自主實驗課程的教學要求和培養(yǎng)目標，結(jié)合本校實驗教學課程設(shè)置的實際情況，研制開發(fā)了模擬電子技術(shù)實驗電路板（以下簡稱實驗板）。該實驗板既是模擬電子技術(shù)實驗教學的平臺，又可作為綜合型實驗的教學平臺。

1 常見實驗平臺介紹

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

1.1 模擬電子技術(shù)常規(guī)實驗內(nèi)容

模擬電子技術(shù)實驗內(nèi)容，一般可分為基礎(chǔ)型、設(shè)計型和研究型實驗3個層次。大部分院校都分別設(shè)置了模擬技術(shù)基礎(chǔ)實驗課程和課程設(shè)計?；镜碾娐纺K如單級放大電路、運算放大器應用等實驗在基礎(chǔ)實驗部分完成。在課程設(shè)計中完成難度相對較大的設(shè)計研究型實驗，這種設(shè)計研究型實驗內(nèi)容豐富，與各高校的學科特點緊密相關(guān)，難以統(tǒng)一歸類，因此本文只對基礎(chǔ)實驗部分做一總結(jié)。模擬電子技術(shù)基本實驗內(nèi)容有以下9個［2］：1）常用電子儀器使用練習；2）晶體管共射極單管放大器；3）場效應管放大器；4）射極跟隨器；5）負反饋放大器；6）差動放大器；7）集成運算放大器的基本應用；8）低頻功率放大器；9）集成穩(wěn)壓器的使用。

其中，集成運算放大器的基本應用實驗又可以細分為比例運算、積分微分、有源濾波、波形產(chǎn)生和電壓比較器等。

1.2 各種實驗教學平臺

各院校采用了不同的硬件實驗平臺以完成上述實驗內(nèi)容。現(xiàn)將這些硬件實驗平臺的情況歸納總結(jié)如下。

從實驗平臺的來源分類，大體可以分成公司單獨開發(fā)實驗箱或?qū)嶒災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)實驗箱比較常見的有天煌教儀、啟東、唐都等。這些實驗箱大多根據(jù)模電實驗的基本模塊設(shè)計，模塊種類比較多，實驗箱本身性能較好，樣式精美。美國國家儀器公司NI（National Instruments）的NI ELVIS實驗教學平臺，不僅可以在平臺上完成硬件電路實驗，配合NI公司的硬件數(shù)據(jù)采集卡、NI Multisim及NI Lab-VIEW軟件，可以進行更高端的網(wǎng)絡化科研和教學項目開發(fā)。缺點是價格比較昂貴，除了ELVIS實驗教學平臺本身，還需要購買配套的軟硬件。感興趣的高?？梢耘cNI公司洽談高校計劃以獲得院校優(yōu)惠［3］。

高校自己研發(fā)的實驗箱往往根據(jù)各高校實際的設(shè)課情況和實驗內(nèi)容設(shè)計開發(fā)，適合本校實際情況，更加經(jīng)濟。對于教師來說，也可以提高自己科研水平。有些高校還擴展了實驗平臺的適用性，將幾門課程的內(nèi)容結(jié)合在一起開發(fā)實驗箱，例如將數(shù)電實驗和模電實驗組合在一起做成一個實驗箱。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)合本校實際情況，與公司合作開發(fā)實驗箱，既能夠適合本校使用，同時制作工藝也比較精良，使用便利。

從實驗平臺的制作方式來分，大體可以分為以下3類。

1.2.1 實驗模塊式

模塊式實驗平臺將模擬電子技術(shù)按照前面所講的實驗內(nèi)容分成若干模塊，如三極管放大模塊、集成功放應用模塊、運放比例應用模塊等。在實驗模塊的各個連接點上留好測試端子，便于測量各種技術(shù)指標。有的實驗箱內(nèi)還集成了穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器或者其他的儀器模塊。這種實驗平臺簡單清晰，但是器件固定，隱藏在實驗板之下，學生對實際器件和電路并沒有理解，只能按部就班地測量固定測試端子上的電壓，沒有發(fā)揮的余地，只適合驗證性實驗［4］。

有的實驗箱進行了改進，將實際的元器件焊接在實驗板正面；同時，在實驗板上設(shè)計了短路模塊或者連接端子，提供2～3個元器件供選擇。解決了之前固定實驗模塊的部分問題，學生可以見到真實的元器件，也可以對實驗電路做適當修改，但是改動范圍較小。

1.2.2 插接式

插接式的實驗平臺更進一步解決了部分問題。實驗箱主體是核心器件三極管和運放等，四周按照元件種類排列，將各個元器件管腳留出端子。學生實驗時用連接線連接各元件對應的端子，構(gòu)建實驗電路，測試相應指標。這種實驗平臺能夠?qū)嶋H動手搭建電路，讓學生理解電路結(jié)構(gòu)，提高動手能力。缺點是元器件的種類仍然不夠豐富，而且這種連接端子長時間使用之后，容易松動，接觸不良，實驗往往不能成功。

1.2.3 面包板式

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

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

2 自主開發(fā)實驗平臺

2.1 教學模式

我校模擬電子技術(shù)實驗和數(shù)字電子技術(shù)實驗合并成一門電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗。這里只介紹模擬電子技術(shù)實驗部分。

模電實驗部分共16學時，設(shè)置4次實驗，采用循序漸進原則，采用實驗項目分級化的模式?！皩嶒灧旨壔笔敲總€實驗項目至少設(shè)A、B、C三級，難度系數(shù)分別為0.8、0.9、1.0，學生可根據(jù)自身情況自選實驗等級，可以完成多個實驗選題。實驗內(nèi)容主要包括低頻放大電路、功率放大電路和集成運放應用實驗等。

圖1 面包板式實驗平臺

2.2 硬件實驗平臺發(fā)展過程

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

2012年和2013年，模電實驗又進行了小規(guī)模的試點，在萬用板上進行焊接、搭建電路和測試。這種模式是學生在實際工作中真正能夠用到的。例如，電子大賽中的一些簡單模塊就會焊接在萬用板上，既鍛煉了學生的動手能力，又有較廣的適用范圍。

試點中也發(fā)現(xiàn)了很多問題。模擬電子技術(shù)實驗是學生遇到的第二門電類專業(yè)課程，之前的電路實驗相對比較簡單，都是在實驗箱上進行測試。到了模電實驗，完全在萬用板上焊接就會出現(xiàn)以下3個方面問題。

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驗中元器件的搭建結(jié)構(gòu)無法統(tǒng)一起來，非常容易出現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)錯誤，元件對應錯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。當出現(xiàn)電路故障或者測量問題時，由于電路千奇百怪，學生檢查故障或者老師輔導都非常費勁，需要花費大量的時間。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)常有學生將實驗時間大部分都花在了焊接和檢查上，根本無法正常完成實驗。

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)實驗的基礎(chǔ)實驗部分，在綜合應用或者研究型創(chuàng)新實驗中可以采用。

2.3 設(shè)計理念和功能

為了配合自主型實驗教學模式，我們在研制實驗平臺過程中，在充分考慮實驗教學具體情況和具體要求的前提下，結(jié)合實驗教學內(nèi)容及平臺的擴展性、可持續(xù)性等諸多因素進行設(shè)計。實驗平臺的設(shè)計理念主要體現(xiàn)在以下4個方面［8－10］。

1）與理論課程內(nèi)容緊密聯(lián)系。模擬電子技術(shù)需要通過實驗來進行驗證和掌握，一些電學參數(shù)和特性，如單管放大電路的靜態(tài)工作點、頻響特性曲線等需要搭建電路后通過儀器設(shè)備測量來獲得。因此實驗平臺的設(shè)計應與理論課程內(nèi)容緊密聯(lián)系，涵蓋實驗課程規(guī)定的全部內(nèi)容。

2）滿足不同層次實驗的教學要求，且具有一定的擴展性。研制實驗平臺時，需要打破傳統(tǒng)的電子技術(shù)實驗以驗證型實驗為主的教學觀念，為學生提供一個進行不同層次實驗的公用平臺［11－12］。

3）功能模塊設(shè)計。根據(jù)模擬電子技術(shù)實驗課程內(nèi)容，將實驗教學內(nèi)容設(shè)計成獨立的功能模塊，比如有分立元件模塊、功放模塊、運放模塊等。

4）提高學生的獨立思維能力和動手能力，減少不必要的時間花銷。既要學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)實驗基本測試內(nèi)容。研制實驗平臺時，應選用高質(zhì)量和高可靠性的元器件，以保證實驗平臺的質(zhì)量；應考慮安裝在實驗平臺操作面板上的元器件易于拆卸，方便清潔和維修［13－15］。

在電工電子實驗中心的支持下，2014年模電實驗的硬件教學模塊又進行了更新，學生在實驗板上直接焊接電路。在綜合考慮了實驗內(nèi)容和學生的實際情況后，硬件實驗板一共有3類，分別是低頻放大器實驗板、功率放大器實驗板和運算放大器實驗板，如圖2和圖3所示。

在低頻放大器實驗板上可以完成與晶體管相關(guān)的除了差動放大電路的所有實驗內(nèi)容，例如簡單共射接法放大電路、工作點穩(wěn)定電路、共集接法放大電路、兩級放大電路、負反饋放大電路等等。功率放大器實驗板可以完成LM386的各種實驗，例如功率放大、方波發(fā)生和低音提升等。運算放大器實驗板在設(shè)計的時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，便于學生在上面焊接各種電路。

在設(shè)計實驗板時，為了避免過度損耗，實驗板的焊盤做得比較結(jié)實，便于學生多次使用。

目前模擬電子技術(shù)實驗課程組生產(chǎn)了100套實驗平臺，已配置在電子技術(shù)實驗室，用于電子技術(shù)的實驗教學。利用該實驗平臺已經(jīng)完成的實驗項目有：三極管放大電路、負反饋放大電路、功率放大電路、運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 低頻放大器實驗板

圖3 運算放大器實驗板

3 結(jié)束語

結(jié)合本系電子電路實驗教學的實際情況，研發(fā)適用于自主實驗的實驗平臺，既鍛煉了學生的實踐動手能力，又幫助學生理解理論教學中的各種電路形式和結(jié)構(gòu)。借助該實驗平臺，不僅可以滿足電類專業(yè)基礎(chǔ)實驗的教學任務，同時還可滿足綜合課程設(shè)計實驗及研究型實驗的要求，有利于促進實驗教學的進一步改革，有利于提高實驗教學質(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年哈爾濱工程大學高等學校教育教學改革重點資助項目（JG2013ZD06）；2014年哈爾濱工程大學教育教學改革實驗重點資助項目（SYJG2040801）。

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