电子技术基础课程体系和教学内容的改革

2014-07-04蔡惟铮欧阳舟

电气电子教学学报 2014年6期

蔡惟铮，欧阳舟，齐明，于泳

(1.哈尔滨工业大学电气学院，黑龙江哈尔滨150001;2.高等教育出版社，北京100029)

当前高校电子电气信息类专业的“电子技术基础”课程，由于总学时的减少和实践性教学环节的加强，理论课大都限在60～80学时。如何在学时数减少的情况下，还能够保持理论课程内容削减较少，教给学生较多的电子技术知识，只能通过课程体系、课程内容的改革以及教学方法的优化来解决。

我们认为:在维持“电子技术基础”课程模拟和数字两大体系的基础上，对一些章节的内容进行改革和优化，以及对讲解顺序进行调整还是大有文章可做的。本文通过教育部高校电子电气基础课程教学指导分委员会推荐的教材:参考文献[1]来论述电子技术基础课程体系和内容改革的一些看法。

1 模拟电子技术部分的改革

1.1 采用计算法求解静态工作点

该教材的基本放大电路部分主要讲放大电路的组成和工作原理，削减了动态图解分析(静态工作点、直流负载线、交流负载线和动态范围等内容)，重点讲述计算法求解静态工作点。

学生刚刚学习本课程时会遇到入门难的问题。我们以图1所示的分压偏置共射组态放大电路为例，运用戴维宁定理导出基极电流表达式:

这样做虽然数学推导稍微麻烦一些，但其与电路课程相一致，却有利于学生的入门。

图1 共射组态基本放大电路

计算基极电流时，视式(1)中的UBEQ为常数可使分析简化，带来的误差不大，这也是处理工程问题常用的方法;对于计算场效应管放大电路的静态工作点可以通过转移特性等方程求解。这样对BJT和FET两大类放大电路都可以通过计算法得到静态工作点，简化了这部分课程内容的分析。

式(1)分母中的(1+β)Re说明发射极回路的电阻归算到基极回路要增加(1+β)倍，反之要减小(1+ β)倍[1，2]。

计算放大电路的动态指标时，传统的方法是画出放大电路的微变等效电路求解。有了归算的概念，可以根据基本放大电路图直接写出动态指标的表达式，这是一个提升，这也是归算带来的优点。图1为无射极旁路电容的共射组态基本放大电路。其电压增益表达式为

上式的分子是输出电极对输入电极间的电流放大系数乘以输出电极对地的交流负载电阻;分母是基极电流流入输入端看进去的归算电阻值。熟练后可根据放大电路的电路图直接写出电压增益表达式，对共射、共集和共基组态放大电路都适用。

1.2 将模拟乘法器提前移入

过去讲运放是先将差分放大电路、级间耦合、互补输出电路作为运放的内部单元电路讲解，模拟乘法器在此并不讲解[2]。实际上跨导型模拟乘法器的基本电路和差分放大电路差不多，工作原理也不复杂，在讲完差分放大电路后顺理成章就可以提前讲授模拟乘法器。

图2是跨导型模拟乘法器的原理图，ux和uy是乘法器的输入。差分放大电路的增益可通过调节发射极电流ic3实现。显然ic3是受uy控制的，于是输出电压uo受uxuy之积的控制。这样在运放线性应用电路中就可以将乘法、除法和开方等电路与比例、积分等电路一并讲解，使线性应用的内容更加丰富。把模拟乘法器提前到差分放大电路之后讲解，有利于数据放大器、精密整流电路、阻抗变换电路、有效值电路和测温等应用电路的介绍。

图2 跨导型模拟乘法器原理图

值得指出的是反相比例运算电路与模拟乘法器应用电路的分析十分相似。图3所示的反相比例运算电路和图4的除法运算电路，二者均应保证负反馈闭环成立。这样就很容易地解决了模拟乘法器应用电路的分析，既保证了课程内容不至于大幅减少，又有利于课程内容的共性分析和提升。

图3 反相比例运算电路图4 除法运算电路

对于信号处理和变换中的有源滤波器、开关电容等就作为线性应用电路的实例讲解。在运放品种的介绍中还提及了轨对轨运放，它的输出几乎具有正电源到负电源电压的高动态范围。

1.3 其他部分的改革

(1)简化了晶体管内部载流子传输的分析，现在电子技术已经进入集成电路时代，在中小功率电子线路中已经很少见到单独的晶体管了。本教材只讲晶体管内部主要载流子的传输，只讲β，不讲解α，β清楚了，α自然就理解了;

(2)简化了中低频小信号晶体管模型，仅给出了一个解决计算放大电路的思路;

(3)对于反馈的分析和判断，将串联反馈是输入电压与反馈电压的相加减，进一步归纳为输入电压和反馈电压分别加到放大电路输入端的两个电极(例如BJT的基极和发射极，运放的同相输入端和反相输入端)。对并联反馈是输入电流与反馈电流的相加减，归纳为输入电流和反馈电流加于放大电路输入端的同一个电极。

(4)在线性应用电路的最后部分介绍了比较器，主要目的是与线性工作状态加以比较，突显线性和非线性应用各自的特点。顺便给出了高电平和低电平的概念，有利于此后开关稳压电源的讲授。

(5)在集成振荡电路一章中还简介了函数发生器和压控振荡器的基本概念，不至于使学生产生知识的盲点。

(6)将整流电路的内容适当分散，加强了集成稳压电源的介绍。讲完二极管，作为二极管的应用，介绍整流电路。对于线性三端集成稳压电源，介绍了固定正电压、负电压输出和可调正电压、负电压输出产品中的小、中、大电流三种系列，以及对军品、工业品和民品级系列都做了比较详细的介绍。在指出线性集成稳压电源效率较低的不足后，介绍了开关稳压电源和PWM的工作原理。

2 数字电子技术部分的改革

2.1 用最小项贯穿大部分内容

数字电子技术部分的许多概念，如逻辑代数、卡诺图、真值表、译码器、数据选择器、计数器、存储器、可编程逻辑器件及AD与DA转换器等都与最小项有关。过去讲最小项是孤立的，本教材把这些部分通过最小项贯穿起来，就起到了提纲挈领的作用，使相关部分的讲解更加简洁。

本教材削减了小规模集成电路的内容，以中、大规模集成电路为主。例如设计组合逻辑电路，任何一个组合逻辑电路都是由若干个最小项之和构成的，所以利用译码器提供的最小项mi，再增加一个门电路实现最小项的相加。这里译码器提供的是mi，逻辑门实现的是Σ，问题便迎刃而解。用最小项译码器实现全加器的例子如图5所示。

图5 用最小项译码器实现全加器

数据选择器本身就是一个Σmi的电路结构，所以通过数据选择器可实现组合逻辑电路。将待实现的组合逻辑表达式写成与或标准型的形式，例如

确定式中ABC为选择变量，并用相应的最小项代替，将上式写成最小项和第四个逻辑变量D的与或表达式的形式

变换后得到

根据上式，用8选1数据选择器实现的组合逻辑电路如图6所示。

图6 用数据选择器实现组合逻辑电路

2.2 可编程逻辑器件

可编程逻辑器件发展很快，本教材总结了实现可编程的三种基本方法:①由ROM发展而来的与或矩阵可实现逻辑功能的编程;②可编程开关矩阵可对连线方式编程;③数据选择器和异或门可实现数据传输方向、同相传输和反相传输的编程。

本教材以可编程计数器为例介绍与或矩阵的可编程原理，通过异或门设置一个符合函数，当计数器按传统的由卡诺图设计的时序计数到输入地址码规定的状态时，产生符合，使触发器返回初态。在此提出了可编程的共性问题，简化了可编程逻辑器件的讲授，避免了诸多厂家各种可编程逻辑器件的介绍。对于具体的可编程逻辑器件或可举一例，在相关的实验中去进一步学习和实践。

可编程逻辑器件的基础是ROM存储器，ROM可实现组合逻辑电路，加上触发器也可以实现时序逻辑电路。ROM的存储内容，可以通过写入软件在所谓的熔丝图上根据阵列图确定存储单元，不需要进行化简，可方便地构成多种逻辑电路。在这里最小项的概念运用较多，设计方法与小规模电路有很大不同。

对与可编程逻辑器件关系密切的VHDL语言，本教材采取直接拿来使用的方法，但加上必要的注释。我们不对VHDL的语句和规则进行介绍，也不设附录，可在相关课程和实验中学习，以减少本书的篇幅和区分不同课程之间的分工。

2.3 其他部分的改革

(1)重点介绍数字信号的基本概念，指出高低电平属于双值逻辑系统。所谓数字信号就是符合双值逻辑系统对逻辑电平规定的矩形脉冲。

(2)数字电路的数学工具是逻辑代数，将其中的形式定理分成了五类，即变量和常量、变量自身、与或型、或与型和求反的逻辑关系。这些关系在一些书中往往称为互补律、对合律和包含律等等[3，4]，其含义在字面上理解起来比较模糊。通过介绍逻辑代数的代入规则、对偶规则和反演规则给学生进行逻辑运算打下比较深厚的基础。对偶关系在正、负逻辑、触发器等内容中普遍存在。

(3)逻辑门以TTL和CMOS为代表，本教材同时对六种数字集成电路国标系列做了简要介绍。对逻辑门内部电路只是简单讲授，重点介绍特性曲线和参数。本教材说明了为什么用输入低电平的最大值和输入高电平的最小值分别去替代开门电平和关门电平，以及它们与噪声容限之间的关系。对CMOS门电路和特有的CMOS传输门也给予了较多的关注。

(4)本教材介绍门电路构成的石英晶体多谐振荡器时，指出逻辑门的过渡区也有放大作用，只需要一个电阻将逻辑门的工作点偏置在过渡区即可。逻辑门也在中、大规模集成电路的输入和输出端使用，起缓冲隔离作用，以满足扇出的需要。

(5)本教材中的组合逻辑电路和时序逻辑电路涉及分析、设计、中规模通用集成电路的原理及其应用等四个问题。

关于分析，重点关注组合逻辑电路和时序逻辑电路的共性问题。例如译码器、编码器、代码转换译码器的分析设计实际上是一样的，这就是它们的共性。但这些电路也有各自的特点，因与显示器件连接而产生显示译码器，考虑到减小键盘输入的差错，而有优先编码器等[2]。

(6)本教材中组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计，基本上都是采用中规模集成电路实现。一般中规模集成电路为了增强其适用性，可以扩容和变通使用。例如计数器产品一般只有2-16进制和2-10进制编码两大类，但通过变通基本上可以实现其他各种编码的计数器。利用4位全加器可以实现多种编码之间的转换，利用最小项译码器和数据选择器可以实现其他组合逻辑电路等。

(7)在一些书中对移位寄存器的右移和左移定义会有相反的说法。本教材根据原电子工业部集成电路编辑委员会出版的有关手册，规范了寄存器向高位移为右移，向低位移为左移。简要介绍逻辑电路对输入信号的动态响应，即所谓竞争冒险问题。

(8)将触发器和555定时器合在一章讲授，不再单独讲解用门电路构成的波形发生电路。触发器部分介绍基本RS触发器、5种逻辑功能的时钟触发器;通过555定时器介绍单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等内容。对于555定时器的功能表归纳成4条:①有两个阈值;②输出端和放电端的状态一致;③具有滞回现象;④输入和输出反相。这样就可以脱离功能表去分析大部分555定时器组成的电路。

(9)模数与数模转换器一章主要介绍了AD转换的概念、基本参数、电阻解码网络、倒T形解码网络、并行AD转换器、逐次比较AD转换器和双积分AD转换器等。对近来发展起来的Δ－Σ型AD转换器和流水线型AD转换器也做了简单介绍。