学生实验中的错与纠错

王 勇

(复旦大学 信息科学与工程学院，上海 200433)

学生在进行电子线路实验过程中经常会犯各种各样的错误，产生各种各样的故障，特别是面包板实验，有些错误如接触不良是学生无意中犯的错误，有些错误则是应该让学生尽量避免的，如电源短路、电源反接、器件管脚接错等引起器件和设备损坏以及危及人身安全的错误，要在实验之前特别提醒学生是不能犯的，而类似电源忘记退耦、示波器探头夹子忘记接地之类的不损坏器件和设备以及不危及人身安全的错误应该允许学生试错，让学生观察到错误会产生什么现象，并正确分析处理故障现象，这对于提高学生的实验能力，并进一步提高其分析问题解决问题的能力是很有帮助的。

电子线路实验中产生故障现象的原因有很多，应该根据具体的实验电路和故障现象分析判断，许多实验指导老师都进行了不少的探索[2-6]，下面以学生实验过程中的几个故障为例，具体分析学生实验中遇到的问题和解决办法。

1 故障现象一

学生在刚开始使用示波器的过程中，经常会忘记将示波器探头的小夹子接地，这时如果用示波器探头接触电路或者测量直流电源输出，就会在示波器上看到频率为50 Hz、幅度为几伏甚至几十伏的电压信号，初次观察到这个现象学生往往很惊讶，不明白这个几十伏电压信号的来源。在指导实验的过程中，可以针对这一故障现象，先让学生试错，将示波器探头小夹子悬空，将示波器探头接到稳压电源的正极或负极输出，让学生在示波器上观察到几伏甚至几十伏的50 Hz电压信号；然后让学生关闭稳压电源开关，但不拔掉稳压电源的电源线，此时，会观察到50 Hz电压信号仍然存在，只是幅度有所减小；但是如果将示波器探头接到稳压电源220 V强电的接地点上(有的稳压电源就是机壳)，50 Hz电压信号几乎消失；最后让学生拔掉稳压电源的电源线，这时无论是机壳还是电源输出端子上都能观察到很强的50 Hz电压信号，结束试错。

随后帮助学生分析50 Hz电压信号的来源。首先解释示波器探头小夹子实际上是与示波器的机壳相连，也就是与示波器电源线的地线相连，当示波器小夹子悬空时，实际上示波器的小夹子是接在强电系统的接地线上。等效电路如图1所示，A点是示波器小夹子悬空时通过接地电阻R1与大地相连，B点是直流稳压电源的外壳通过电源接地线与大地相连，接地电阻为R2，将示波器探头接到稳压电源外壳B点上50 Hz电压信号几乎消失。但是如果将稳压电源的电源线拔掉，等效电路如图2所示。这时的稳压电源就是一个孤立的金属导体，它感应空间50 Hz电磁干扰，用示波器能够观察到它对地的感应电压，一旦稳压电源接上电源线，机壳接地，机壳的感应电压就几乎消失(接地电阻足够小，忽略地线干扰)，但是稳压电源的直流输出端子仍有50 Hz干扰信号(无论稳压电源是否开启)，这是稳压电源电路板感应的50 Hz电磁干扰，其实人体作为一个导体，也会感应空间50 Hz电磁干扰，让学生直接用手触碰示波器探头，也能在示波器上观察到50 Hz电磁干扰信号。

图1 不拔掉稳压电源电源线时的等效电路

图2 拔掉稳压电源电源线时的等效电路

2 故障现象二

各种干扰是学生电子电路实验中经常碰到的故障现象，如在二阶低通滤波器实验中，学生在滤波器输出端观察输出波形并不光滑(假定滤波器截止频率为2 kHz)，输出波形上叠加了微小的高频噪声信号，这让同学们很不理解，理论上二阶低通滤波器已经将高频噪声信号滤除，实际测量二阶滤波器的截止频率也没有错误，那么是什么原因导致输出波形并不光滑？这个叠加的寄生高频噪声信号从何而来？

仔细观察学生的实验电路，发现学生没有进行正负电源退耦，而给正负电源退耦后，输出波形变光滑，高频噪声信号消失。如果供给多级放大器的电源的内阻较大,通过电源内阻反馈到前级放大器的反馈极型可能为正反馈，从而使放大器产生自激振荡。如图3所示的两级放大电路，Ic2在电源内阻Ro上产生一个反馈电压Vf=Ic2Ro，Vf通过Rb1、Rb2得到反馈电流If1、If2。其中If1是并联正反馈，如果寄生正反馈足够强，满足AF≥1，放大器就会产生自激振荡。

图3 两级放大电路

另外放大器末级的耗电会造成电源的波动,此波动将影响前级电路的工作,并被前级放大,造成后级电路更大的波动,如此恶性循环,从而也可能产生自激。在电路实验中，稳压电源往往通过较长的电源线和电路相连，在进行直流电源退耦时，退耦电容应该接在靠近放大电路一侧，如对运放电路，退耦电容应尽量靠近运放的电源连接端子，学生通过实验观察到了不进行电源退耦的后果和现象，体会到了电源退耦的重要性。

运算放大器实验产生寄生干扰振荡的另一种情况是，部分学生在电路输入端没有任何输入信号的情况下(输入端悬空)，在放大器输出端观察到幅度比较大的干扰输出信号，如果提示学生将输入端接信号源或接地，干扰输出信号消失；也有的学生在测量放大器输入阻抗时，在放大器输入端串接一个比较大的电阻，此时放大器产生干扰振荡，而提示学生将串接的输入电阻减小，干扰振荡消失，可以判断这是由于外界干扰串入放大器中引起的。电子线路中的干扰信号主要由外部干扰信号和内部干扰信号组成，外部干扰信号是由外部空间电磁场信号通过感应耦合到放大器的输入端子(特别是当放大器的输入阻抗比较高且放大倍数比较大时)，内部干扰则是由电路内部引起的。

3 故障现象三

寄生振荡也是学生电子电路实验中经常碰到的故障现象，特别是在负反馈放大器实验中寄生振荡现象比较多，有些学生实验过程中出现了放大器没有进行信号放大，放大器输出端反而产生了一个与待放大信号频率不相同的寄生振荡信号，判断负反馈放大器寄生振荡现象的原因比较复杂，一种情况是当反馈深度比较大时，由于负反馈放大器的不稳定性引起的自激振荡，负反馈对放大器的许多性能都有改进，但是对于一个多极点系统而言，由于基本放大器在高频区存在附加相移，因此在中频区施加负反馈时，有可能在高频区变为正反馈，有可能引起放大器的自激振荡。由负反馈放大器的不稳定性引起的自激振荡在多级负反馈放大器(如三级以上分立元件放大器)和运放负反馈放大器中比较常见，解决的办法一般采用相位补偿技术，有超前补偿技术和滞后补偿技术，如图4所示电路采用的是超前补偿技术，补偿电容C并接在Rf两端。

图4 采用超前补偿技术的放大电路

学生实验过程中，产生寄生振荡后往往无从下手，一般会提示学生从负反馈的稳定性入手分析原因，学生在理论课上学习了负反馈的稳定性，在实验中也有机会体会到负反馈放大器的不稳定性引起的自激振荡现象及解决办法。

4 故障现象四

在数模混合电路实验中，数字电路对模拟电路的干扰十分严重，甚至于让模拟电路无法正常工作。下面以笔者指导的电子线路综合实验“模拟信号的六位频率计”实验为例介绍学生实验中碰到的一个比较棘手的故障现象。

实验要求输入信号幅度为不小于200 mV，测量频率范围为100 Hz～20 MHz。输入信号通过UA733宽带放大、整形，经由计数器分频送入闸门电路，另一方面基准信号控制闸门使被测信号在标准时间内去计数。其中基准信号可采用10 MHz晶振及TTL电路，通过分频产生1 s的基准信号。其中模拟信号放大器UA733电路采用双电源供电，正负6 V电源需经过100F电解电容和0.1F瓷片电容以及100H电感退耦后接入放大器，数字电路正5 V电源也需经过100F电解电容和0.1F瓷片电容退耦后接入数字电路器件。

在实验过程中，学生对模拟电路电源和数字电路电源都分别进行了退耦，但是大部分同学仍然得不到正确的测量结果，例如当输入幅度200 mV频率 100 Hz的正弦信号时，得到的测量结果为几千赫兹甚至几十千赫兹的频率，排除了学生实验电路存在设计错误和搭建错误以及接触不良因素后，仔细观察学生实验电路，发现学生在对数字地和模拟地的共地处理上不当，学生将模拟电路电源地COM1和数字电路电源地COM2直接在稳压电源上用导线短接，以实现模拟和数字电路的共地，模拟地和数字地没有分开布线，这样数字地上的干扰信号很容易串入模拟地，UA733放大器的输出信号干扰很严重，用示波器观察在整形电路的输出端的数字信号上升沿和下降沿存在高频寄生振荡信号，从而导致频率测量不准。为了尽量减少数字地和模拟地之间的相互干扰，应该将模拟地和数字地分开布线，由于该实验模拟电路只有UA733放大器，可以在面包板上单独设置一列插孔为模拟地，UA733的电源退耦电容都接在此列上，而面包板横条上接数字电源地，并与面包板背面大面积铜片相连。在数字地和模拟地的共地处理上，拆掉稳压电源上COM1和 COM2短接导线，在面包板上将模拟地所在列与数字地所在行相连，学生实验电路如图5所示。

经过这样处理后，输入幅度200 mV频率 100 Hz的正弦信号时，测量结果为100 Hz，观察UA733输出信号，干扰大大减少，通过施密特非门整形后，输出的数字信号上升沿和下降沿上的高频寄生振荡消失。

图5 模拟信号的六位频率计实验电路实测

接地电阻的影响可以用如图6所示的简单电路进行分析。图6中当R2变化时，由于R3存在，R1上的电流也会发生变化，对于包含电容、电感以及放大器的电路，问题会更复杂些。定义公共阻抗为处在两条或两条以上电路电流都要通过的公共路径上的阻抗，图6中R3就是公共阻抗。在电子电路中，接地电阻无疑是电路的公共阻抗，在实际的电路中很难做到接地电阻等于零，在多级放大电路和数模混合电路中，接地线上的电阻也会在放大器之间以及数字地和模拟地之间形成寄生反馈。在指导学生实验过程中，发现大部分学生对于接地的概念比较模糊，对接地线上的电阻形成的寄生反馈的理解也似是而非。因此在指导实验过程中应注意讲解接地的概念，指导学生区分交流地、信号地、直流电源地、数字地和模拟地等概念，在实验过程中尽量减小接地电阻。特别是在多级放大电路中，由于末级信号电流比较强，这样在相同接地电阻的情况下，末级接地电阻产生的寄生反馈最强，因此接地点应尽量靠近末级放大器的接地端。而在数模混合电路中，注意模拟地与数字地分开布线，减少数字地对模拟地的干扰。

图6 分析接地电阻影响的简单电路

5 结束语

本文讨论了学生实验中出现的一些常见错误和故障现象及处理办法，实际上，学生实验过程中出现的问题千变万化，有学生电路参数设计不当错误，有面包版接触不良错误，也有器件本身缺陷或损坏出现错误，即使寄生干扰振荡现象也远远不止本文讨论的几种情况，需要在指导实验过程中，发现问题，正确引导学生分析问题，找出出现故障现象背后的原因，最终解决实验中遇到的各种问题。这种允许学生试错的教学方法也得到了学生的肯定，在学校教务处的评教系统中，按本文思路指导的实验课程学生评价很高，名列学院各门课程前茅，学生留言也给了比较高的评价和鼓励，当然也给了一些比较好的建议，在以后的工作中还应继续努力，不断提高教学质量，许多实验指导老师也进行了不少探索和努力[7-10]，都值得学习和借鉴。

[1]北大路刚,刘宗惠.抑制电子电路噪声的方法[M].人民邮电出版社,1980.

[2]李锡华,叶险峰,施红军.“电子电路安装与调试实践”课程的教学设计[J].实验室科学,2013,16(2):158-160.

[3]李荣柏.浅谈如何上好电子线路实验课[J].辽宁教育行政学院学报,2010,27(2):144-144.

[4]毛新宇,王志军.电子线路实验课程深入预习的问题探讨[J].实验室研究与探索,2014,33(10):166-169.

[5]贺业敏.浅谈电子线路技能训练方法[J].科教导刊,2010(19):93-93.

[6]钦永堂.电子电路抗干扰措施的研究[J].科技创新与应用,2013(19):163-163.

[7]毛新宇,王志军.实验课研讨式教学实际问题探讨——以北京大学电子线路实验课为例[J].实验技术与管理,2015,32(2):32-35.

[8]梁晓梅,齐庆堃.高校“模拟电子线路实验”教学改革探讨[J].中国科技信息,2012(1):135-135.

[9]钟福如,刘丽娟,王慧.翻转课堂在高频电子线路实验教学中的应用研究[J].新课程研究旬刊,2015(5):70-71.

[10]王增宝,赵修太,付帅师.改进实验教学方法,转变教学实验类型探索[J].实验科学与技术,2015,13(6):169-172.

[11]孔庆生.模拟与数字电路基础实验[M].上海：复旦大学出版社,2005.

[12]陈光梦.模拟电子学基础[M].上海:复旦大学出版社，2009.