简易模拟电路实验箱设计

王 莉

扬州大学水利与能源动力工程学院 江苏扬州 225127

简易模拟电路实验箱设计

王 莉

扬州大学水利与能源动力工程学院 江苏扬州 225127

当下高校在模拟电路实验中无论是使用面包板插接做实验，还是使用专用模电实验箱做实验，都存在一些弊端与不便，因此总结教学实验经验，自制了一个简易模拟电路实验箱。该实验箱可以完成单级共射放大、两级负反馈放大、差分放大、功率放大、比例运算、加减运算、积分运算、电压比较、RC振荡等大部分模电基本实验功能。

模拟电路实验箱；Multisim；Protel；印刷电路板

模拟电子技术基础是电子类专业的一门非常重要的专业基础课，为学好这门课，其中实验是不可少的。一些高校学生由插接面包板的方式完成实验，在这种方式下效率不高，错误百出，稍有不慎还会造成器件的损坏烧毁，得不到实验结果，而且一些常用的小器件如电阻、电容等的回收也是难题。某些高校配备市场上购买的专用的模电实验箱，又往往由于实验室条件有限，不是每次都有针对教材的现成模电实验箱满足模电教学需求，并且市面上的实验箱内部结构不直观，也影响学生对实验的理解，而一旦实验箱出现损坏，维修起来也常常找不到问题所在，购买实验箱的价格通常又比较昂贵。本文介绍的简易实验箱是依据我校的模电实验教学内容，仿照常用的模电实验箱，设计供学生模电实验使用，在一定程度上解决了以上这些问题。

1 相关软件

设计模拟电路简易实验箱需要仿真软件做先期的模拟仿真，用来确定设计的电路和相关元器件如电阻、电容等是否合适。笔者选择的仿真软件是Multisim 10.0。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

最后制成印刷电路板需要一款绘制Protel电路原理图和封装图的软件。笔者选择的软件是Altium designer summer 09。Altium（前称Protel International Limited）有限公司由Nick Matrin于1985年在塔斯马尼亚岛的霍巴特成立，用来开发基于计算机的软件来辅助进行印制电路板（PCB）设计。Altium声称中国有73%的工程师和80%的电子工程相关专业在校学生正在使用其所提供的解决方案，Protel是目前EDA行业中使用最方便，操作最快捷，人性化界面最好的辅助工具。电子专业的大学生在大学基本上都学过Protel 99SE，所以学习资源也最广。

2 实验箱实验电路设计

2.1 实验箱设计思路及过程

（1）首先参考模电教材和模电实验指导书等文献资料选取基础的适合学生做实验的电路，通过理论计算选择各电路中的元器件并设置好其参数。

（2）用仿真软件Multisim画好电路图后做仿真测试，测试电路的测量结果是否与理论相符和，波形是否正确、清晰。

（3）用Protel画出电路原理图，设计好各器件的位置和连线，预留好给学生实验时可能需要用到的各个接口。

（4）原理图设计好后，画好相应的封装图，然后制成印刷电路板，并统计出需要用到的器件数量，如运放、电阻、电容等。

（5）购买元器件并在印刷电路板上焊接好，完成简易实验电路板实物，最后进行测试，和之前的仿真结果进行对比，验证实验电路板是否实用。

2.2 实验箱功能选取原则

根据我们的模拟电路教材和实验指导书，挑选一些最基础的和最重要的常用电路作为简易模拟电路实验箱的功能模块。其中包括最基本的晶体三极管放大电路如单级放大电路，射极跟随电路，差分放大电路等。还有就是以集成运算放大器为核心的电路如比例运算、加法运算、积分运算、电压比较、RC振荡等电路。此外还有需要学生掌握的功率放大电路。

2.3 晶体三极管放大电路实验设计

用单级型晶体三极管作为放大器件组成的放大电路是模电中最基础的电路，学生做模电实验，首先就应该从了解基于三极管的各类简单放大电路开始。以一个带负载的、可交流放大的、放大倍数可调的、单级共射放大电路为例，参考模拟电路教材等资料确定电路参数后，用Multisim软件画图进行模拟仿真。经过仿真验证可以确定该电路各项参数的设定是合理的，即该电路可以完成学生做该模电实验时需要实现的各项功能。则可以开始进行Protel原理图的设计。在实际的设计过程中，因为考虑到该实验与另外两个实验（射极跟随器、负反馈放大电路）都需要用到NPN型三极管9013并且部分电路结构类似，所以设计原理图时把它们放到了一起（如图1所示）。

图1 中可以通过短接帽构成不同接线实现各自的功能。减少了9013和若干电阻电容等器件的用量。具体接线方式已在上图中注明，学生在进行本实验时，只需用短接帽短接J15和J23即可。负载电阻可自行接在J3与J24之间。另外J9，J20可用来接函数信号发生器的输入和示波器，J2，J22可用来接示波器。

2.4 集成运算放大器实验电路设计

集成运放在模电中极为重要，因为在集成运放的输入与输出接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，利用集成运放可非常方便地完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、比较、平方、开方等）、信号处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换等功能。

实验指导书上使用的集成运放是通用型运算放大器LM741，不过这里采用的是四运算放大器LM324，因为与标准运算放大器相比，它有一些显著优点如该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下、静态电流为LM741的静态电流的五分之一等。

设计过程与2.3节介绍类似，这里不再详述。

2.5 Protel原理总图的设计

图2为总的所有实验模块电路的Protel原理图，除实验电路外还有一小块电路是上面内容中没有提到的。图2中J69接直流电源+12 V，J71接直流电源-12 V，J70接地。正确接好后可完成对整块印刷电路板中需要供电的器件，如9012，9013，LM324等的供电。

图2 Protel总原理图

2.6 印刷电路板封装图

对画好的测试好的各个实验的原理图完成封装，交付打印印刷电路板（PCB板）。图3就是用Altium designer summer 09制作的电路板封装图。

图3 Altium PCB板封装图

2.7 模拟电路实验板实物

印刷电路板制作好后，购买好需要的各种远器件，然后对应原理图将元器件进行焊接，完成的模拟电路实验板实物如图4所示，因为有些实验模块从电路结构和所用器件上比较难区分，所以在这些电路的部分都加上了中文标注。最后进行对模拟电路实验板的测试。

图4 模拟电路实验板正面

3 模拟电路实验板描述与存在问题

本文设计的模拟电路实验板可完成的实验电路有：基本共射放大电路、射极跟随器、负反馈放大电路、部分差动放大电路、比例运算电路（包括电压跟随、反相比例、同相比例）、加法运算电路（包括反相加法和同相加法）、积分运算电路、电压比较电路（包括过零比较器、反相滞回比较器、同相滞回比较器）、直接耦合互补对称功率放大器（包括OCL电路和加负反馈的OCL电路）、正弦波振荡。

在最终的实物测试中，大部分模块功能实现良好，误差在可接受的范围之内，但仍有部分模块存在问题。具体为：放大电路模块，也就是单级放大器，射极跟随器，负反馈放大器部分，测量结果与仿真值存在较大误差，可能是由于该部分共用集成运放，在焊接时存在问题；功率放大器模块在输入10 mV峰值正弦波时，改变两个滑动变阻器阻值时不能明显察觉到输出波形的幅值变化。还有在输入信号变大至峰值20 mV左右正弦波时输出失真严重；实验板需加保护壳以避免元器件的磨损。

4 结束语

模拟电子技术基础课程是信息技术的基础，该课程的鲜明特点是强调实践性教学，注重工程素质培养和专业基本训练，因此加强实践环节和实验课改革，是课程建设的重要任务之一。我们重点从实验课教学内容下手，先做“单元验证型实验”，然后加大、加深“大型综合实验”和“设计型实验”的内容，使学生从中受到一些设计的初步训练。本文介绍的模拟电路实验箱是根据实验教学的初步成果，主要针对“单元验证型实验”，后续的设计分两步，一是再增加一些典型“单元验证型实验”，并且再添加一些元器件，使得实验项目更加灵活多样；二是将增加“大型综合实验”和“设计型实验”，以形成更为完善的模拟电路实验箱。

［1］ 华成英，童诗白.模拟电子技术基础［M］.第四版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程［M］.第三版.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 于卫.模拟电子技术实验及综合实训教程［M］.武汉：华中科技大学出版社，2008.

［4］ 颜国琼，周毛华.《模拟电子技术实验》教学创新探索［J］.长江大学学报：自科版，2013，28（10）：128-132.

［5］ 书聂典.Multisim 12仿真设计［M］.北京：电子工业出版社，2014.

［6］ 廖灵志，刘菊荣，库锡树.“电子技术基础实验”课程教学模式的探索［J］.工业和信息化教育，2015（1）：18-21.

［7］ 郭勇.电路板设计与制作- Protel DXP 2004 SP2应用教程［M］.机械工业出版社，2011.3

［8］ 王渊峰，戴旭辉.Altium Designer10电路设计标准［M］.北京：科学出版社，2012.1

［9］ 李磊，梁志明，华文龙.Altium Designer EDA设计与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［10］ 李志军，陈万培，于卫.“模拟电路”实验教学改革探讨［J］.实验科学与技术，2013，11（4）：18-80.

Design of a Simple Analog Circuit Experiment Box

Wang Li

School of Hydraulic， Energy and Power Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， 225127， China

There are some drawbacks and inconveniences in the present university analog circuit experiments using either breadboard plug experiment or special-mode test box experiment， so we designed a simple analog circuit experiment box based on the experience in the teaching of analog circuit course and experiment. This experiment box can complete most basic analog circuit experiments such as Common emitter amplifer， CE-CB amplifer， differential amplifer， power amplifer， scaling circuit， Addition and subtraction circuit， integration circuit，voltage comparators， RC oscillation etc.

analog circuit experiment box； Multisim， Protel； printed circuit boards

2015-06-08

王莉，在读博士研究生，讲师。