自制模拟电子技术实验PCB开发板的设计

余蓓敏， 金泽安， 孟祥元

（安徽电子信息职业技术学院，安徽 蚌埠 233000）

一、引言

随着电子信息技术的迅速发展，应用电子技术专业高技能人才的需求量也大大增加，高职院校为了输出更多的高技能、应用型人才，必须培养学生具有过硬的智能终端产品开发能力和较宽的应用电子技术知识面，为此，基础课程的学习重要性凸显。模拟电子技术课程是电子类专业一门重要的专业基础课程，是为学生学习专业课打基础的，起承上启下的作用，实践性很强。因此，模拟电子技术课程教学中，实验教学是十分重要的教学环节，教师需要将实践教学始终贯穿于人才培养的过程中，突出实践能力的培养。当下实验教学中存在实验室器材老化损坏、实验项目开发等问题，自主设计PCB实验电路板，开发实验室设备既能因材施教，又能加大学生调试和测量能力的训练，以培养学生严谨的工匠精神、创新的科学思维方法和综合运用知识的能力。由教师施行实验教学模块的开发，不仅可节约购买成本，还能根据教学要求增添实验板功能，实现分级教学，从而提升教学质量与效果。

二、总体设计

（一）PCB板的整体设计选择

PCB板做成若干块小的开发板，有利于学生进行综合实验的综合能力训练。面对生源的多样化，多块小的PCB开发板有利于实现分级教学，基本任务板的装调可供基础一般的学生完成实验任务，学生会有成就感，进而提高学习兴趣。高级任务板可供基础中等的学生进行进一步的探究。学有余力的学生可完成除了基本板以外的扩展板实验，深入理解各单元电路在综合电路中的功能。

（二）实验内容的有机整合、实现

在模拟电子技术实验中，分立元件实验主要是三极管和二极管的使用。集成元件主要是集成运放单元。我们精选了三极管组成的放大电路、二极管整流电路为核心电路，并辅以其他电路：共集放大电路、差分放大电路等，使每一个电路具有一定的功能性，有利于学生对于知识点的理解和掌握。为了方便学生理解电子电路的知识，可将电子元器件设置在PCB电路板顶层，底层是PCB焊接线。电路板采用低压安全供电，保证安全。根据实际制板工艺要求，合理减小电路之间干扰。教师自行设计各个电路模块，利用学院已有的实验设备和工具来开发，努力克服应用中的一些困难和系统干扰。

三、PCB板制作分步实施——以单管放大电路为例

（一）仿真测试

利用Multisim仿真软件设计电路，改变电阻值，测试三极管各极电压，确定三极管工作状态，调节基极偏置电阻，输入mV级正弦交流小信号，输出端得到最大不失真波形。测试此时各点电压及输入输出电流值。不断改变参数，调节到适合实验的电阻、电容、输入、输出信号，用虚拟仪器函数信号发生器和双踪示波器观测输入输出波形，调测至均正常、有效，最终完成电路的仿真设计及测试。

（二）原理图设计

图1 单管放大电路原理图

利用Atium Designer 15进行单管放大电路原理图设计，考虑到输入端、电源端、公共地端及输出端的反复接插，利用率比较高，故设计时进行多个接口的设计，如图1所示。左入右出，上正下负，输入端和输出端各3个接口，电源端2个接口，公共地端5个接口。并设置多个开关方便进行等级实验。单刀双掷开关S1用来切换有无内阻Ri：2与1连接，则连入1KΩ输入电阻；2与3连接，则不经过输入电阻，直接将输入信号送到输入端。单刀双掷开关S2用来切换有无电流串联负反馈：2与1连接，则引入100Ω电流串联负反馈电阻；2与3连接，则无负反馈，RE为1100Ω电阻。单刀双掷开关S3用来切换有无电压并联负反馈：2与1连接，则引入10KΩ电压并联负反馈电阻；2与3连接，则无负反馈。单刀双掷开关S4进行输出是否接负载的测试选择：2接3即进行带载测试，负载电阻为3.3KΩ；2接1即进行空载测试，RL=∞。核心元件三极管采用实验室常用的NPN型三极管S9013，电位器采用实验室精密三端可调电位器，电容采用实验室常用电解电容。电位器此处的作用是用来调节最佳静态工作点，保证最大不失真输出。为了保证静态工作点的稳定性，宜采用分压偏置式共射放大电路构成单管共射放大电路的基本单元。

（三）PCB板设计

原理图设计完成后，建立PCB文件，规划PCB板尺寸为60×35mm.导入工程信息，生效，然后执行。布局完成后，进行布线设置，在布线规则设置中，为了方便学生进行实验，PCB设计成单面板，在元件面上插接元器件，接线面将电路连接好。全部元件采用THT型插接式元器件，方便进行实验操作。

为了增强抗干扰，焊盘进行补泪滴设计，敷铜设计成底层接地敷铜。

针对实际S9013，型号面朝人的时候，从左至右，依次为e极、b极、c极。封装根据实物，焊盘号和元件管脚号相对应，保证正确的电路连接关系。并用汉字标明各输入、输出端和电源、接地端。为了方便后期检修，将各元件的编号、正极、管脚号也通过丝印层进行标注。注意的是PCB板上标注显示的是白色。单管放大电路PCB板设计图如图2所示，其3D仿真实物图如图3所示。

图2 单管放大电路PCB板图

图3 单管放大电路PCB板3D图

此单管放大电路实验的基本任务为完成基本分压偏置式共射放大电路的装调实验，分级任务分别是固定偏置式共射放大电路、分压偏置式共射放大电路、负反馈放大电路。

用于实验教学的PCB板中接口用的比较多，充分比较了多个接口后，我们选择了在输入端、输出端、电源接入端使用多个插针，大概每个端口使用4-5个插针，预留多个接口，解决重复性接口的易坏问题。在元件管脚接口，我们选择了单排母座，金属接口方便多次插接，反复使用率较高。

四、结语

模拟电子技术的教学过程中，一种自制模拟电子技术实验开发板的设计，在一定程度上增强了学生的动手能力，提高了学生学习的积极性。同时利用自制的PCB开发板实现分级教学，提升了教学质量与效果。

当然前期设计，离不开后续设计的完善和不断总结与修改。在后期设计中，为了便于进行实验搭建，可以在四个顶点设计四个安装孔，通过螺丝固定的方式，立于实验台上方便学生进行较长时间的实验操作和技能训练。

设计中，对应实物的封装选择和PCB板设计也是需要时时关注的问题，解决与实际相对应的问题，是实现PCB设计与制作的关键。学生方便实验是PCB设计的基本出发点，每个接口可能的折损率需要更加全面的考虑和试用，有待于今后的设计进一步加以完善。