“模拟电子电路”课程教学改革思考

2010-03-21曾鹤琼

电气电子教学学报 2010年4期

关键词：基极电子电路晶体管

曾鹤琼,胡骏

(1.中南民族大学工商学院电信系,湖北武汉 430065;2.湖北生物科技职业学院计算机系,湖北武汉 430074)

“模拟电子电路”课程是电子信息类专业一门重要的基础课。许多学生对模拟电子电路的理解仅仅停留在解题计算上。而模拟电子电路实验往往流于形式,使得学生使用现成的实验箱,在验证性实验中只会插拔导线。在分组实验时,小组中通常只有少部分学生动手。

我们为了提高“模拟电子电路”的教学质量,对计算机辅助教学、授课安排和实验教学进行了较为深入的思考。

1 计算机辅助教学

现在的模拟电子电路计算机辅助教学流行使用Spice来验证电路模型,设计简单电路;使用EWB进行虚拟实验;使用LabVIEW演示信号采集和虚拟仪器的设计等[1］。

我们结合Spice软件,利用C语言开发能够显示电路3D影像的程序用于教学[2,3］取得了良好效果。该程序方运行如图1所示。

图1 程序的运行图

图2所示为一个讲授晶体管输出特性时的例子,该晶体管电路不加任何负载。在通过图2讲解晶体管截止、导通和饱和三种工作状态的时候,仅分析晶体管三极的电位高低,学生缺乏感性认识。而经程序处理后可以得到3D晶体管电路图截图,如图3所示。图3(a)为晶体管处于截止状态,基极电位VB和发射极电位VE接近,使得发射结电压uBE小于开启电压Uon,因此图中基极与发射极画于同一平面;集电极电位VC在三个电极中最高,集电结反偏并满足uCE>uBE,所以在图中集电极所处纵轴位置抬高。图3(b)晶体管处于导通状态,uBE>Uon,uCE>uBE,生成的电路图中画基极位置高于发射极,集电极所处纵轴位置更高。图3(c)晶体管处于饱和状态,uBE>Uon,uCE

图2 晶体管电路图

图3 3D的晶体管电路图截图

通过图3所示3D图,学生可以轻易判断出晶体管三种工作状态中三个电极电位的高低以及电流的流向。这种3D显示能让电路立体化,使学生通过图形可以生动地理解电路原理。教师在课堂教学中,感到补充效果非常不错。

程序的主要原理是从Spice软件生成的代码中提取节点的电压,根据节点电压高低决定生成的3D电路图中元器件两端在纵轴中的位置。为便于识别,在生成3D图像的同时应显示平面电路图。

2 授课安排

学生对电子电路的各种元器件的符号见得多,但对实际的元器件了解得少,这样就直接造成所学的知识与实际脱节。如在工程中电容器种类可分为铅电解电容、聚苯乙烯电容、陶瓷电容、聚酯电容、云母电容和纸电容等。每种电容器的工艺不同,适用范围也不同。因此在授课过程中如果遇到相关知识点,我们会进行穿插介绍,给出实物,并编出小册子供学生参考[4］。

在小册子中,电阻、电容、电感、晶体管、电源、开关、继电器、振荡器和放大器等都有详尽介绍。此外,为贴近实验教学还特地加入测试技术与测量设备一章,着重介绍实验室仪器。小册子在拉近学生的现实认知与理论学习之间的差距上取得较好效果。

3 实验教学

“模拟电子电路”的实验主要使用实验箱。实验分组较多时,教师无法监控所有学生,不可避免的就有疏漏之处。为了提高学生参与实验的兴趣,我们引入一个新型的实验组织形式:“虚拟公司”。

“虚拟公司”的具体运作方案是,实验指导教师担任公司运作者,要求学生2～3人一组设计,并实现一个能包含“模拟电子电路”课程中主要知识点(如放大器、滤波器、比较器和限幅器等)。设计步骤如下所述。

1)我们将前8个实验课时专门用来训练学生的基本功——制作一个收音机。实验室提供具体电路图、PCB板及装配器件、工具和示波器等。

2)完成基本功训练后,教师组织学生用2个课时的时间,讨论系统的规范与功能。

我们的实验采用一个心电采集系统为例,该系统具有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz陷波、后级放大和电平整定等前端六个模块。要求在电平整定模块输出端接入示波器以观察心电信号。在讨论这六个模块电路的时候,教师应该让学生在教材中找到相应的章节。有了理论支持,再对具体电路进行讨论,考虑如何对教材中电路图进行修改才能满足系统需要。

在设计过程中,学生可以通过计算机查询设计方案和查阅各种器件数据表,做好前期的准备工作。他们可向教师就设计细节和操作细节等问题咨询,但是咨询时间必须转换成为相应的“虚拟币”。如果学生在整个设计过程中向教师咨询的问题较少或者没有提问,那么所花费的“虚拟币”就少。这表明学生的自学能力越高。

3)方案确定以后,教师需对方案进行审核。若审核通不过,学生必须进行方案修正。审核过程也转换为“虚拟币”。审核越多,项目成本越高。这样做能让学生的自查意识提高。若审核通过,学生开始开出元器件采购单(boom单),并亲自到市场调研。根据市场价格核算成本,对于没有超过预算的,教师批准经费予以购买;对于超过预算的采购单,必须重做。相应的元器件购买费用必须转换为“虚拟币”,这样可以培养学生的成本意识。

4)器件采购完毕后,学生通过面包板搭建电路,设计方案最终实现。

5)最后学生必须参加项目答辩。根据学生回答问题的情况及各项目所花费的“虚拟币”多少,指导教师给出最后的实验成绩。