模拟电子技术设计性实验的探索与研究

孙建 邹欣 徐林 李晓寒 陈明生 宁旭

【摘要】针对我校传统模拟电子技术基础性实验存在的问题，我校开展了模拟电子技术设计性实验的探索和研究。实施后，学生的实践能力和创新能力取得了很好效果，契合了我校生物医学工程专业的发展方向。

【关键词】模拟电子技术;设计性实验

《模拟电子技术》是我校生物医学工程专业必修的专业基础课，主要学习模拟电信号的产生、传输、处理、变换的基本原理、基本电路和基本分析方法，培养生物医学工程专业学员对各种功能电路工作原理的定性、定量分析能力，电路系统性能指标的选择、计算能力，以及培养对模拟电路系统的综合应用和设计能力，为后续专业课程的学习和掌握医疗设备的工作原理，奠定电子技术理论和实践基础，使学员在未来服务于军队医疗和科研时具有较系统的模拟电子技术的理论知识和实践技能。

模拟电子技术是一门工程学、实践性极强的课程，它涉及的知识点多，学生理解起来很抽象，所以在学习过程中必须注重实验的重要性。我校模拟电子技术实验包括：基础性实验和设计性实验两个方面的内容。基础性实验内容包括：晶体管单管电压放大器的性能调试、差分放大器的测试、集成运算放大器的基本运用、有源滤波器的调试与频率特性的测量、功率放大器电路的测试、直流稳压电压的安装和调试。

在以往基础性实验开展过程中，主要存在以下问题：（1）基础性实验以教材给出的电路为基础进行展开，一般设计为3个学时，教师讲解30分钟左右，然后由学生动手，重在让学员熟悉电路的基本组成和性能参数。由此可见，实验的目的仅仅停留在对基本电子和电工设备的安装、调试、测试方法等基本技能上，缺乏对学员独立设计与创新的实验思维的锻炼，以致解决实际问题的能力不强;（2）有些同学参数测试完成后，在实验报告中，对测试结果的可靠性判断能力差，不清楚到底自己测试的数据是否正确，实验评价做得不是很理想，这也从某种层面反映了学员对实验内容的理解和掌握程度;（3）实验内容虽然紧扣课本每章节内容，学生反映出来的积极性不够，觉得实验内容在理论课中已经详细介绍了，重视程度不够，学生实验的兴趣不高[1]。

针对基础性实验中遇到的问题，我校尝试性的开展了设计性实验的内容。首先是选题，考虑到我校生物医学工程专业的培养方向，我们选取了与医学相关的设计性实验课题进行开展，于是我们选取了一个简单但是很具有代表性的目的：脉搏信号采集接口电路的设计。并且对设计的具体要求进行了说明：根据要求设计红外光电传感器的脉搏信号采集接口放大电路，并制作，搭建实验电路板并制版，利用函数信号发生器、示波器等电子设备对接口电路进行调试，完成接入红外光电传感器检测手指脉搏波，并记录波形，然后将脉搏波信号整形为方波信号。并且要求红外光电传感器接口电路的频率范围为0.1-30Hz;接口电路放大器增益A>=1500倍;集成运算放大器要求采用双电源供电。

我们的设计性实验按照表1进行开展实施：设计6个课次进行，总学时为44学时，按照6个方面的内容进行。

1.确定设计方案

在开展设计性实验前一个月，我们将设计性实验内容布置下去，让学员对设计性实验的内容预先有所认识和了解，并且进行分组，2-3人一组。考虑到我校生物医学工程专业科目多的实际问题，我们在课堂上也专门安排了4个学时的文献查阅和阅读时间，并且以组为单位设计方案，安排2个学时时间，每组派代表对自己设计的方案进行设计方案初步汇报，初步汇报的任务是让学员们对整个电路设计的模块有个确定的把控，让学生们弄清楚脉搏信号的组成，来源，信号特征，利用红外光电传感器采集的脉搏信号特征，重点要弄清楚在脉搏信号采集过程中的有哪些干扰信号，如何滤除干扰和脉搏信号采集接口电路组成的基本模块。

通过学生的预汇报，发现组与组之间查阅文献有很多是相同的，学生们积极性很高，通过汇报的方式开展反映效果好。预汇报后，以组为单位再进行方案的修正，再安排两个学时进行方案的最终确定，这次方案要求拿出实际设计的电路结构，电路的静态和动态参数。通过汇报的方式，可以让组与组之间发现自己电路设计的问题，也开阔了设计的思路。

2.电路仿真

方案设计好之后，首先要利用软件的方式来验证设计方案的可靠性。软件仿真统一的采用Mutisium软件进行，Mutisium软件涵盖了模拟电子技术常用的芯片和基本元器件，学员可以很方便的进行电路图的连接，加入包含噪声信号的信号源，利用示波器进行观察，检测输出、输入参数是否和设计的性能指标一致。软件仿真进一步加强了设计方案的可靠性。在仿真过程中一定要求学员逐级电路进行仿真，很多同学将整个设计电路连接起来，结果输出结果不正确，这时候就无法判定到底是哪一级电路出现了问题，同时要提示学员注意电路级与级之间的耦合干扰，要求学员记录每一级电路的静态和动态参数和总电路的动静态参数。

3.方案电路测试

通过软件仿真后，方案电路测试是利用模拟电子技术实验电路箱，通过硬件方式

来对设计方案的可靠性进行验证。模拟电子技术实验箱，学生们在开展了基础性实验之后，已经非常的熟悉。这时候输入信号选择利用红外脉搏传感器直接输出的信号，也可以按照软件仿真的方式逐级进行硬件电路连接，记录每一级的动态和静态参数和总电路的动静态性能参数。在设计操作中，提示学生采用红外光电方式采集脉搏信号的工作原理，红外光电正常工作时是有一个工作电流范围的，一定要加限流电阻保证红外光电管工作在正常的工作电流范围内。

4.PCB版设计及焊接

在软件仿真和硬件仿真无误后，就需要考虑PCB制版了，很多生物医学工程专业的现状是没有重视PCB版的设计，甚至很多高校没有给学员创造PCB设计和焊接的机会。PCB版设计采用Protel开展，让学员了解印刷电路板的版图设计，需要考虑外部和内部电子元件连接的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、热耗散等各种因素甚至电磁保护等问题。PCB版制备完之后，以组为单位，由教师进行PCB版的加工制作，制作完之后，以组为单位完成元器件的焊接。

5.电路板调试

焊接成功之后，就需要对电路板进行调试。这时候以人体脉搏源信号为基础，对人体脉搏信号进行检测，并且利用示波器进行显示，在实施过程中，也要求学员逐级电路进行实验测试，记录每级电路的静动态参数进行测量和记录。

6.考核

考核是本次设计性实验开展情况的总结汇报，以幻灯讲解和现场功能演示的手段开展，汇报讲解内容包括软件、硬件仿真以及电路板性能参数设置和评价体会，并且由评委老师当堂打分，对实验内容进行点评。

表1 设计性实验实施计划

课次 学时 内    容

1 8 查询并阅读文献，研讨确定设计方案

2 4 使用Mutisim软件进行电路仿真

3 8 方案电路测试（实验箱）

4 12 PCB版設计及组装焊接元器件

5 8 电路板调试

6 4 考核（幻灯讲解、现场功能演示）

通过本次设计性实验的训练，学生们对模拟电子技术内容有了更深入的认识，学生普遍反映较好。以组为单位促进了学员之间的团结合作精神的培养，学生们的综合能力得到了提高，对模拟电子技术理论有了进一步的认识，将模拟电子技术知识与我校的医学背景紧密联系起来，提高了学生的积极性。总之，模拟电子技术设计性实验在我校模拟电子技术实验开展中是非常重要的，对我校生物医学工程专业的未来发展是非常必要的，必须不断的探索和研究。

参考文献

[1]模拟电子技术技术基础实验课教学经验浅谈[J].电子技术，2012，4：26-27.