王燕杰， 吳 霞， 賈生堯

（中國計量大學機電工程學院，杭州310018）

0 引 言

電工電子實驗課程是高校工科專業(yè)學生的重要專業(yè)基礎課程［1］。為了提高學生電路設計實踐能力，國內(nèi)高校許多老師都進行了電工電子實驗教學創(chuàng)新研究，如姚纓英等［2］在電路實驗教學中進行了模塊化開放式電路綜合實驗教學研究，申文達等［3］在電工電子實驗教學中引入了啟發(fā)式教學方法，朱雷平等［4］在電工電子實驗中進行個性教育的開放實驗教學，陳萍［5］在電路教學中進行了綜合實驗的探索。在實踐教學中曾發(fā)現(xiàn)大部分學生只會做單個實驗，每當涉及到綜合實驗，就束手無策，無從下手，并沒有真正做到所學內(nèi)容融會貫通，基于此開發(fā)設計了綜合性強，讓學生理解運用所學知識，提升學生實踐能力和學習效果的多項綜合實驗［6-7］。

在實施綜合實驗項目時，要求學生先完成常用電子儀器，分壓偏置式單管放大電路，運放放大器的線性應用，RC正弦波振蕩電路，組合邏輯電路設計，計數(shù)與顯示電路，555 定時器應用電路等模擬和數(shù)字電路基礎實驗。本文介紹其中一個綜合實驗項目“聲控延時實驗”。該實驗要求學生在2 周內(nèi)，按照布置的任務和要求，利用現(xiàn)有的模擬和數(shù)字電路實驗箱，獨立設計一套完整的聲控延時控制電路，并完成實驗設計報告。該實驗包括模擬電路和數(shù)字電路的多個模塊：數(shù)字示波器，分壓偏置式單管放大電路，運算放大器線性應用電路，NE555 定時器電路，計數(shù)顯示電路，LED 驅(qū)動電路等，將模擬電路、數(shù)字電路內(nèi)容串聯(lián)起來。學生通過設計并仿真電路，理解并熟練掌握電路原理后，動手操作完成該實驗。

1 實驗任務

1.1 實驗任務要求

（1）要求使用模擬或者數(shù)字電路實驗箱設計一個聲控延時電路，當咪頭接收到聲音時，電路點亮LED燈；當聲音消失后，電路延時1s 自動關閉LED 燈，延時時間用1 位數(shù)碼管顯示。

（2）要求延時時間0 ～10 s可調(diào)。

（3）擴展內(nèi)容：自由發(fā)揮或用延時開關作為報警燈的開關，當聲音達到閾值后，延時開關接通并控制報警燈以10 Hz頻率閃爍。

1.2 實驗目的

讓學生熟練掌握數(shù)字示波器的使用；熟練運用多級放大電路、NE555 定時器電路和計數(shù)與顯示電路等模塊進行電路設計，并實現(xiàn)完成聲控延時電路的功能。

1.3 實驗方案設計

采用實驗室模擬電路實驗箱現(xiàn)有聲音信號進行兩級放大，放大后的信號經(jīng)過整形，驅(qū)動由NE555 組成的單穩(wěn)態(tài)定時時間閘門電路的方案。其原理框圖如圖1 所示。通過咪頭采集聲音信號，然后通過一級或者二級放大電路把聲音信號的幅值放大至5V 以上，再經(jīng)過波形整形電路整形成標準的TTL 電平信號，以產(chǎn)生穩(wěn)定的下降沿觸發(fā)信號，進而可靠地啟動延時控制電路，延時控制電路控制計數(shù)顯示電路，顯示并鎖定延時時間值。

圖1 聲控延時電路原理框圖

聲控延時電路圖如圖2 所示，圖中M1表示用來接收聲音的咪頭，R1、M1、C1組成聲音信號的輸入電路，聲音信號通過C1耦合到后面由R2、R3、R4、R5、R6、和Q1組成的分壓偏置式單管放大電路，該單管放大電路作為第一級聲音信號放大電路，第一級放大電路的輸出經(jīng)過電容C2耦合到由R7、R8、R9和運放UA741組成的第二級聲音信號放大電路，經(jīng)過兩級信號放大后的聲音信號，再接入施密特觸發(fā)器CD40106 進行整形，整形后的聲音信號變?yōu)榉讲ㄐ盘枺湎陆笛乜梢杂|發(fā)由NE555 定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路進行定時延時。單穩(wěn)態(tài)電路的輸出控制發(fā)光二極管發(fā)光，發(fā)光二極管用來模擬聲控開關。

NE555 定時器與R10、C4組成的單穩(wěn)態(tài)電路，一方面輸出觸發(fā)信號，使發(fā)光二極管發(fā)光；另一方面組成延時閘門控制電路，在延時時間內(nèi)輸出高電平，控制計數(shù)器的使能端，使計數(shù)顯示電路正常計數(shù)，當延時時間到時輸出低電平，停止計數(shù)，同時保持計數(shù)器的計數(shù)數(shù)值。

改變R10和C4的值，可以調(diào)節(jié)延時時間，延時時間的計算公式為T ＝1.1R10C4。

圖2 聲控延時電路

本實驗具有多種設計方案，如：將圖2 中的虛線部分換成同相或者反向運算比例放大電路，也可實現(xiàn)相同的電路功能；計數(shù)器電路也可以分別采用74ls161和74ls192 兩種不同的計數(shù)器芯片。學生們可采用多種方案來完成本次實驗任務。

2 實驗實施過程中的模塊化調(diào)試方法

由于涉及多個電路模塊，造成實驗系統(tǒng)連線較多。因此要求學生學會分步調(diào)試電路模塊［8］。本實驗可以分6 個模塊進行分步調(diào)試，簡化實驗過程。

2.1 聲音采集電路的實驗波形觀測

從咪頭兩端采樣聲音信號的波形，需要學生熟練掌握數(shù)字示波器的使用。如圖3 所示的聲音信號采集電路，靜態(tài)時輸出直流信號，在觀測聲音信號的動態(tài)波形時，示波器耦合類型需設置為交流。示波器探頭X10 檔的輸入阻抗比X1 檔要高10 倍，在測試驅(qū)動能力較弱的信號波形時，把探頭設置到X10 檔可更準確地測量。咪頭采集的聲音信號非常微弱，示波器探頭衰減開關可設置在X10 處。示波器觸發(fā)類型需設為單次觸發(fā)，當有聲音信號時，示波器能準確采樣并鎖定波形信號。

圖3 咪頭兩端的聲音信號波形

本調(diào)試步驟訓練的知識點是：示波器探頭好壞判斷，示波器耦合類型設置，示波器探頭衰減設置，示波器觸發(fā)方式設置等4 個知識點。

2.2 聲音信號第一級放大電路的波形觀測

第一級聲音信號放大使用的是分壓偏置式單管放大電路，需要學生先學會設置合適的靜態(tài)工作點［9］，再使用單管放大電路進行交流電壓放大。讓學生理解單管交流放大是反向電壓放大，掌握觀察雙蹤波形的示波器耦合方式選擇。圖4 中CH1 通道黃色波形是單管放大前的聲音信號，CH2 通道藍色波形是單管放大后的聲音信號。CH1 通道的電壓觀測刻度為100 mV/格，CH2 通道的電壓觀測刻度為2 V/格，本方案采用實驗箱自帶的單管放大電路的動態(tài)電壓放大倍數(shù)設計值為倍。第一級放大后音頻信號幅值達到2.4 V，不足以驅(qū)動延時電路，需進行第二級放大。

圖4 聲音信號第一級放大波形

本調(diào)試步驟訓練的知識點是：單管放大電路靜態(tài)工作點的設置，單管放大電路的動態(tài)放大倍數(shù)，數(shù)字示波器雙蹤波形觀察等3 個知識點。

2.3 聲音第二級放大電路的波形觀測

聲音信號的第二級放大采用的是運算放大器實現(xiàn)反向放大，該調(diào)試步驟要求學生掌握檢測運放好壞的判斷，熟練運用運算放大器進行線性應用設計。圖5中的CH1 通道黃色波形是運算放大器放大前的聲音信號，CH2 通道藍色波形是運算放大器放大后的聲音信號，本文運算放大器的放大倍數(shù)Auf＝- R9／R7＝-3.3。第二級放大后音頻信號幅值達到8 V，足夠驅(qū)動延時電路。

圖5 聲音信號第二級放大波形

本調(diào)試步驟訓練的知識點是：運算放大器的好壞判斷和運算放大器的反向放大等2 個知識點。

2.4 聲音信號波形整形

經(jīng)過兩次反向放大后的聲音信號，其波形為正值，幅值為8 V，波形整形電路［10］是把放大后的聲音信號整形成標準的TTL電平信號，整形后的信號其陡峭的下降沿可以穩(wěn)定可靠地觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時電路。圖6 中CH1 通道黃色波形是施密特整形前的聲音信號，CH2通道藍色波形是施密特整形后的聲音信號。

本調(diào)試步驟訓練的知識點是施密特觸發(fā)器的應用。

2.5 NE555 定時器電路的波形觀測

圖6 聲音信號波形整形

聲控延時的延時時間主要由NE555 定時電路來實現(xiàn)，圖7 中的黃色波形為施密特電路提供給單穩(wěn)態(tài)電路［11-12］的觸發(fā)信號，藍色波形為NE555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出的定時波形，其高電平時間T ＝1.1R10C4＝1 s，改變R10C4值可以改變高電平時間。在該高電平時間內(nèi)計數(shù)器正常計數(shù)，若計數(shù)頻率為1 Hz，高電平截至時鎖定的計數(shù)器數(shù)值，即為延時時間的數(shù)字顯示。

圖7 NE555單穩(wěn)態(tài)電路延時波形

本調(diào)試步驟訓練的知識點是：NE555 單穩(wěn)態(tài)電路的定時原理和定時時間的計算等2 個知識點。

2.6 計數(shù)顯示電路

關于延時時間的顯示，在常規(guī)實驗教程的計數(shù)器章節(jié)介紹了2 種不同的方案，本節(jié)調(diào)試均可采用。如圖2 所示的方案：先使用16 進制加法計數(shù)器74ls161連接成每秒計數(shù)一次的10 進制計數(shù)顯示電路，然后把NE555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出端接在74ls161 的使能端。當有聲音信號時，NE555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出高電平，74ls161 使能開始計數(shù)，計數(shù)時間為NE555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出高電平的時間（即延時時間）。方案2 如圖8所示，先使用10 進制加減計數(shù)器74ls192 連接成每秒計數(shù)一次的10 進制計數(shù)顯示電路，然后把NE555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出端接在74ls192 的使能端。

圖8 74ls192十進制計數(shù)

本調(diào)試步驟訓練的知識點是使用16 進制加法74ls161 進行10 進制計數(shù)顯示，使用10 進制加減74ls192進行10 進制計數(shù)顯示，計數(shù)器使能端的使用等3 個知識點。

3 綜合實驗項目評價環(huán)節(jié)

我校聲控延時綜合實驗建議學時為7 學時，其中仿真2 學時。

綜合實驗是2 人1 組，團隊協(xié)作完成，為了區(qū)分學生學習程度，設計了如表1 所示的實驗驗收評價表格，對每個同學進行分別驗收［13］。

表1 聲控延時開關實驗驗收評價表

用表1 先驗收學生的電路仿真結(jié)果，然后教師提問，再要求學生實際操作示波器逐級觀測聲音信號采集電路，聲音信號放大電路，信號整形電路，單穩(wěn)態(tài)延時電路等實驗模塊的波形，顯示出倒計時和拓展功能結(jié)果，最后驗收實驗報告。該評價環(huán)節(jié)不僅注重實驗的結(jié)果，還更注重實驗過程中的細節(jié)觀測，讓學生更深入理解掌握綜合實驗的每個實驗模塊。

4 對電工電子實驗教學的幫助及教學效果

（1）整個實驗過程中，涉及常用電子儀器的使用，分壓偏置式單管放大電路，運放放大器的線性應用，施密特波形整形電路，NE555 單穩(wěn)態(tài)電路，計數(shù)顯示電路等6 個常規(guī)電工電子實驗模塊的15 個知識點，多個知識點的融合，加深了學生對以往所學常規(guī)實驗模塊的理解，提高了學生綜合實踐能力，鍛煉了學生的實踐動手能力，同時理論聯(lián)系實際，課堂知識得到了具體的應用。這種做法不僅有效利用了實驗室現(xiàn)有的教學模塊資源，大大節(jié)省了硬件投入成本，同時也發(fā)揮學生的能動性，如學生為了解決綜合實驗中存在的問題，必須主動反思前面所學的常規(guī)實驗模塊。

（2）該實驗綜合性較強，系統(tǒng)調(diào)試時間久，碰到有難題的地方時，學生可采取小組討論的方式進行解決，引導了學生自行設計電路并進行仿真與搭建，提高了學生的綜合電路系統(tǒng)的設計能力，讓學生形成先學后做再回頭思考著學的閉環(huán)學習［14-15］，開拓了學生的思路，促進了學生的科學實驗基本能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。

（3）分別在2017 ～2018 年兩個學期選擇機電類本科生的不同班級參與聲控延時綜合實驗的教學，其中第一學期所選的班級沒有參與綜合實驗，期末考試卷面成績優(yōu)秀率21.21%，良好率15.15%，優(yōu)良率合計36.36%，不及格率48.48%；第二學期所選的班級全員參與綜合實驗，期末考試卷面成績優(yōu)秀率2.86%，良好率37.14%，優(yōu)良率合計40%，不及格率14.29%。對比結(jié)果如下：學生參與聲控延時綜合試驗后，學生期末考試卷面成績，優(yōu)良率從36.36%增加到40%，不及格率從48.48%大幅下降到14.29%，說明本文設計的聲控延時綜合實驗，可以幫助電路理論基礎較薄弱的本科生理解和掌握常規(guī)電工電子實驗的15 個知識點，有助于他們提高對實驗知識點的掌握。

5 結(jié) 語

本實驗設計了融合6 個常規(guī)電工電子實驗15 個知識點的綜合實驗系統(tǒng)，給出了評價完成實驗項目的評價標準，并將其應用于學生的實踐教學中，鍛煉了學生的電路實踐設計能力，加深了學生對實驗課程各模塊的理解，取得了良好的教學效果。該實驗項目可進一步完善和改進，比如增大延時時間0 ～30 s可調(diào)，兩位數(shù)碼管顯示延時時間等，鍛煉學生使用多個數(shù)碼管進行計數(shù)顯示的能力。