顧家軍 祝超凡 陳謹(jǐn) 陳玲玲

[摘 要] 目前國(guó)內(nèi)高校常見的模擬電路實(shí)驗(yàn)采用電路綜合實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容需要通過(guò)雜亂的接線連接電路，才能機(jī)械的完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初學(xué)時(shí)難以掌握。同時(shí)大部分模擬電路實(shí)驗(yàn)課程未與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特性相結(jié)合，也未與后續(xù)專業(yè)課程相結(jié)合而融入整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中。通過(guò)對(duì)上述模電實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)新型模擬電路實(shí)驗(yàn)架構(gòu)，通過(guò)模塊化、可視化以及融入其他專業(yè)課程內(nèi)容等方式，在學(xué)習(xí)模電知識(shí)的同時(shí)鍛煉了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

[關(guān)鍵詞] 模擬電路實(shí)驗(yàn);生物醫(yī)學(xué)工程;模塊化;可視化;改革探索

[基金項(xiàng)目] 2020年度深圳技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理研究基金項(xiàng)目（JS20200004）;2020年度校級(jí)“質(zhì)量工程”建設(shè)項(xiàng)目“健康與環(huán)境工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”

[作者簡(jiǎn)介] 顧家軍（1991—），男，安徽滁州人，碩士，深圳技術(shù)大學(xué)健康與環(huán)境工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事生命信息監(jiān)護(hù)與醫(yī)學(xué)圖像處理研究。

[中圖分類號(hào)] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）41-0044-04 ? [收稿日期] 2021-04-09

一、引言

模擬電路實(shí)驗(yàn)具有基礎(chǔ)厚、專業(yè)活、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，是一門比較難學(xué)的課程。實(shí)驗(yàn)與理論互補(bǔ)、良好的實(shí)驗(yàn)課程，可以輔助理論課教學(xué)成效。目前多數(shù)實(shí)驗(yàn)采用綜合實(shí)驗(yàn)箱，一方面學(xué)生需要通過(guò)雜亂的接線才能完成實(shí)驗(yàn)，初學(xué)者很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果，影響后續(xù)的學(xué)習(xí)興趣[1，2];另一方面大多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容未與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合，學(xué)生難以掌握模電在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。筆者經(jīng)歷多年的模擬電路教學(xué)與實(shí)踐，希望通過(guò)電路原理模塊化[3，4]，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化，并將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合，由易到難，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成模擬電路課程的學(xué)習(xí)。

二、生物醫(yī)學(xué)工程模擬電路實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

（一）缺乏針對(duì)性

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校生物醫(yī)學(xué)工程模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大多借鑒電子信息類專業(yè)，缺乏針對(duì)性內(nèi)容，未能體現(xiàn)出自己專業(yè)特色。

（二）實(shí)驗(yàn)煩瑣，缺乏直觀性

模擬電路實(shí)驗(yàn)包括器件識(shí)別、測(cè)量?jī)x器使用等實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)的操作[5]。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要包含二極管與整流、三極管與放大、運(yùn)算放大器與信號(hào)放大、加法器、濾波器、穩(wěn)壓電源等。在現(xiàn)有的電路模擬數(shù)字綜合實(shí)驗(yàn)箱[6]實(shí)現(xiàn)這些功能需要直插式芯片、電阻、電容器件和多線引線在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行連接。煩瑣的接線占用了大量的課堂時(shí)間，并且實(shí)驗(yàn)的直觀性不強(qiáng)，使得模擬電路原理的驗(yàn)證達(dá)不到設(shè)想的效果，并且頻繁地插拔芯片也易造成芯片損壞。由于煩瑣且機(jī)械化的實(shí)驗(yàn)操作導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣不高，學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)效果不佳。

（三）缺乏完善的實(shí)驗(yàn)體系

目前生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)普遍存在模電實(shí)驗(yàn)課程只是在輔助本門專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)于本門課程的了解和實(shí)踐能力，未能將本門實(shí)驗(yàn)課程與其他課程相結(jié)合。生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)課程本為一個(gè)體系，其中的每門實(shí)驗(yàn)課程能夠成為該體系中的一環(huán)，模電實(shí)驗(yàn)未能融合到整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中而起到銜接作用。

三、生物醫(yī)學(xué)工程模擬電路實(shí)驗(yàn)改革探索方式

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中模電課程普遍存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套新型模電實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容來(lái)解決上述問(wèn)題。整體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容架構(gòu)如圖1所示。

（一）模擬電路實(shí)驗(yàn)電路模塊化

針對(duì)頻繁接線的導(dǎo)致占用大量課堂時(shí)間和頻繁地插拔芯片的問(wèn)題，圖1中給出的探索思路是通過(guò)將模擬電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。模塊式模擬實(shí)驗(yàn)板，其電路根據(jù)理論課電路為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，以接插件方式與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)板連接;實(shí)驗(yàn)板的頂面按理論教學(xué)的實(shí)驗(yàn)電路原理圖進(jìn)行絲印;預(yù)留輸入端接信號(hào)發(fā)生器輸入原始波形;預(yù)留出可調(diào)節(jié)的器件，實(shí)時(shí)修改電路參數(shù);預(yù)留輸入、輸出測(cè)試點(diǎn)，工作狀態(tài)測(cè)試點(diǎn)，同時(shí)測(cè)試點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)板對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口相連接。

（二）模擬電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化

針對(duì)采用模擬電路實(shí)驗(yàn)箱在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，結(jié)果不夠直觀的問(wèn)題，圖1中給出的探索思路是通過(guò)將模擬電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化。通過(guò)將模電電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，在屏幕上進(jìn)行通過(guò)波形或數(shù)值顯示出結(jié)果。采用STM32F103RCT6為主處理器，ADuC7060為協(xié)處理器，主、協(xié)處理器之間通過(guò)SPI通信。通過(guò)接插件，主處理器可提供十六通道通用I/O口，協(xié)處理器提供十通道24位同步ADC，一個(gè)通道PWM，一個(gè)通道DAC和兩通道可編程電流源。開放式的架構(gòu)也可以接納學(xué)生自主設(shè)計(jì)功能電路的拼入[7]。上位機(jī)基于PC軟件系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)RS232串口通信（數(shù)據(jù)打包發(fā)送、解包接收和控制字發(fā)送）、界面繪制、狀態(tài)顯示和實(shí)時(shí)波形圖等功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊式模擬實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)監(jiān)控，包含關(guān)鍵部位電壓和信號(hào)。通過(guò)比對(duì)示波器、萬(wàn)用表等儀器測(cè)量值，讓初學(xué)者對(duì)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果有初步的了解和認(rèn)識(shí)。

（三）模擬電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系化

為了突出生物醫(yī)學(xué)工程的特點(diǎn)，更好地將模擬電路相關(guān)知識(shí)應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中去。提出將心電、腦電、肌電、眼電、脈搏波、呼吸等常見的人體生理信號(hào)作為模擬電路實(shí)驗(yàn)中的信號(hào)源，并且針對(duì)相應(yīng)的生理的信號(hào)的特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的運(yùn)放電極和RC濾波電路等與模擬電路相關(guān)實(shí)驗(yàn)相關(guān)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。亦可通過(guò)將模擬電路與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的高級(jí)項(xiàng)目作為模擬電路實(shí)驗(yàn)的階段性考核，如要求學(xué)生設(shè)計(jì)一套完整電路實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集，獲得較為純凈的信號(hào)。這些信號(hào)處理的內(nèi)容能夠與信號(hào)與系統(tǒng)的知識(shí)相契合。同時(shí)圖1的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)中包含了STM32和ADuC7060單片機(jī)，并留有相應(yīng)的接口，學(xué)生可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行再次編程燒錄，這與嵌入式課程相契合，上位機(jī)軟件的編寫又能夠與軟件開發(fā)類課程相契合。對(duì)模電實(shí)驗(yàn)框架的改革能夠與眾多課程相融合，使得模電實(shí)驗(yàn)課程在體現(xiàn)專業(yè)特色的同時(shí)，在整個(gè)生物醫(yī)學(xué)工程體系中起到承上啟下的作用。