一个模拟电子技术口袋实验室的设计与实现

吴旷 田歌

摘要：基于对传统模拟电子实验教学过程中的一些弊端进行分析，设计并实现了一种小型化、便携式的迷你模拟电子实验教学设备。设备具有基础的模拟电子实验功能，可应用于课堂教学中的及时实践环节，做到模拟电子技术理论学习与实践操作的無缝结合。经实践教学表明，该装置的应用受到学生的积极反馈，明显提高学生学习兴趣与动手实践能力，得到了良好评价。

关键词：模拟电子;实验设备;便携式;微控制器应用;人机交互

中图分类号：TP34        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）21-0096-03

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1 引言

随着模拟电子技术教学内涵建设的不断深入，对学生的理解运用与动手创新能力提出了更高的要求。传统的教学-实验互相分离的教学模式越来越受到严峻的挑战[1-2]。为解决传统实验室实验内容单一，实践理论结合较为滞后的弊端，设计并开发了模拟电子技术口袋实验室系统，该系统将目前高校中常用的实验台，实验箱中的常用功能进行分离、裁剪、微型化与再集成，实现了将常见的模电实验装进口袋，随带随走，随地进行实验验证的口袋实验室。通过教学实践表明，能够在课堂上与理论教学同步实验的教学方法学习效果较传统教学有长足的进步，尤其在稍微晦涩难懂的章节，学生能够通过口袋实验室及时进行实践验证，对于理解相应理论知识有非常明显的帮助。口袋实验室教具的运用真正体现了“以学生为中心”，学生学习与发展成效驱动的教育理念，可以有效地帮助学生更好地完成个性化、探究性实验任务。提高了学生主动学习的意识和创新能力，保证了电路实验课程的教学质量。

2 口袋实验室开发的必要性

模拟电子技术是高校教学中非常重要的一门基础课程，是自动化、电气工程、机械电子、电子信息等弱电相关类专业的基础专业课，在绝大多数高校教学中，模拟电子技术都是一门专业必修课程。而模拟电子技术的课程简单总结下又具有以下几个显著特点：抽象、多变和复杂。传统教学方式中，往往是教师课堂讲解理论知识，课后学生集中实验验证[2]。

这种教学与实践在时间与空间上的相互分离往往形成学生在理论学习过程中由于未见实物器件与电路，只见纸面公式推导与原理分析造成的模电理论知识不牢固，不透彻;在实验过程中由于理论学习不牢固、不透彻造成实验电路搭建易出错，实验现象难以理解到位的恶性循环，最终的结果是学生普遍反映模拟电子技术难以学习，听不懂、做不会，更进一步甚至丧失学习兴趣[3-4]。

通过对以上教学实践中的问题进行分析，如何将传统实验室搬进理论教学课堂成了关键解决办法，口袋实验室的设计由此而来。其与传统模电实验室相比具有以下两个特点：

（1）小巧。传统实验室的操作对象往往是实验台或实验箱，固定安装在实验室难以移动[5]。口袋实验室的体积要远小于传统的实验台或实验箱，大小与家用路由器相仿，具有非常优秀的便携性。

（2）功能全面。传统的实验台或实验箱为照顾多门课程的实验设计，往往具有非常全面的预建实验电路，配套丰富的电源系统与相应的测量仪器。口袋实验室的功能专为模拟电子技术课程设计，同时内建基本电源系统与测量工具，实现模电学习过程中与专业实验室的同等效果。

2 口袋实验室的硬件组成与设计

口袋实验室的组成主要有两个大的部分，其一是基础实验系统，该部分实现了模拟电子技术实验中所需要的电源、信号源、基本测量工具与实验结果的显示界面。其二是实验模块电路，包含了模拟电子技术教学过程中可以辅助理解理论知识的常用基础实验电路。

2.1 基础实验系统

基础实验系统是口袋实验室的核心部件，主要实现的功能有以下几点：

（1）电源处理与转换。将输入的4.5V～5.5V电压转换为3.3V，5V与-5V电压，分别给核心处理器与实验模块电路中放大电路进行供电，具体电路如图1所示。

（2）信号的发生与测量。模拟电子技术中的实验总是需要一个稳定的正弦波作为信号源输入到放大电路中，信号发生的实现由核心处理器内置DAC来完成，根据处理器数据手册，该DAC分辨率为12bit，典型转换时间为2μs，在正弦波形基本不失真的状态下取一个周期50个采样点进行直线拟合，输出频率可达10kHz，该频率下的信号对大多数的模拟电子技术实验来讲是足够用的。为弥补处理器信号源对外电流输出的能力较弱的劣势，在该引脚后加入一路电压跟随器进行带负载能力的增强，具体电路见图2所示。

由于放大电路的供电由±5V电源提供，考虑轨对轨的运算放大器运用，实验模块处理后的放大后信号峰峰值理论最高可达10V。处理器内置ADC仅可采样0～3.3V电压，为满足信号测量要求，放大电路的输出信号由两路运放将峰峰值为10V的电压变换到0～3V电压，具体处理电路如图3所示。处理电路整体看分为两级处理，第一级电路将信号按比例衰减到-1.5V～+1.5V，第二级电路将衰减后的信号整体抬升1.65V，达到输出电压信号处于0～3.3V内的目的。电路运行结果如图4所示。

（3）人机交互界面。实验室中最重要的也是最常用的仪器就是示波器与信号发生器，这两种仪器最大的作用就是信号的可视化设定与检测。口袋实验室的初衷便是便携化的模拟信号处理电路验证与检测设备，可视化的人交互界面是必不可少的。口袋实验室的人交互系统主要采用组态屏实现，利用组态技术，以组件拖放的方式可以快速地完成人机交互界面的设计工作。市面上有很丰富的组态屏可供选择，口袋实验室选取的是广州大彩公司生产的7寸组态屏幕，结合基础实验系统板可以方便地收纳进背包，同时7寸的彩色触摸屏幕也有足够的空间布置相应的操作按钮与仪器界面。其中集成运算放大器应用的信号比例加法运算的操作界面如图5所示，其中输入信号1比例系数为1。输入信号2比例系数为2。其余实验的界面采用类似风格，根据实验需要，加入输入波形，输出波形的显示等，这里不再一一列出。

2.2  实验模块电路

实验模块电路是口袋实验室的实现主体，是模拟电子技术教学中的实验功能电路的主要载体。按照不同的模拟电子实验要求，实验模块电路有基本放大电路模块，射极跟随器模块，多级放大电路模块，负反馈放大器模块，集成运算放大器模块，振荡电路模块等不同的实验电路板。

（1）基本放大电路模块。基本放大电路是模拟电子实验的基础实验，主要探究三极管的放大原理以及三极管静态特性对动态参数的影响。该电路模块采用S8050三极管作核心放大晶体管，该型晶体管也是多数电子实验台采用的晶体管之一，模块电路图如图6所示。在该实验中，不同的实验目标与实验参数设定通过短接不同位置的跳线端子来实现。具体方法是，短接JP1中1-2端子实现基本共射放大电路的实验，短接JP1中5-6端子实现射极跟随器的实验。

（2）集成运放实验模块。该模块可实现信号的比例、加法与减法运算，涵盖了常用模拟电子课程在集成运放运算电路中的实验需求。其中同相输入的集成运放实验电路图如图7所示。集成运放采用TLV272IDGKR型号，该运放是德州仪器公司出产的高精度运放之一，具有良好的运算速度与运算精度，电路中配合使用的电阻均为0.1%精度的高精密电阻，通过配置JP2与JP3不同位置的导通端子，可实现单一信号的同相比例运算，两信号的同相输入求和。通过合理的PCB布局布线，电路具有良好的抗干扰能力，实验中输入信号的运算效果接近理想状态下的仿真结果，对学生理解运算电路的工作原理起到了良好的辅助作用。

（3）统一输入输出接口。实验模块电路具有统一的信号输入输出接口，按照接口规范，同学们也可在后续课程学习后自行设计与验证不同的模拟电子电路的工作效果。目前已经有同学设计出一些波形变换电路模块并通过了实验验证，达到了良好的效果。其中一种电路原理图及运行效果如图8所示。

3 口袋实验室软件系统设计

口袋实验室的实验模块电路是无须编程的纯硬件电路，而口袋实验室中信号的发生与检测功能是运行在基础实验系统中的程序支撑的。此部分的程序设计也是口袋实验室系统的核心之一。

3.1 信号发生程序

信号的发生主要由主控芯片的内置DAC完成，信号发生程序模块内置正弦数据表与三角波形数据表，由HMI屏幕输入信号的频率、幅值参数，主芯片通过串口接收到相应指令后按照设定参数完成DAC配置，查表输出相应数值，实现模拟波形的输出。具体流程图如图9所示。

3.2信号检测程序

信号检测程序是口袋实验室的另一核心功能，该功能由主控芯片的内置12bit ADC完成模拟信号的采样，采样后的数字量会经过简单的数字滤波处理后以固定周期、固定格式报文将波形数据输出到HMI组态屏幕，触控屏内运行波形解析脚本，还原采样的模拟波形至屏幕显示。信号检测程序的具体流程图如图10所示。

4 结论

口袋实验室是一款具备专业电子实验室基本功能的便携化的课堂教学实验设备，该设备将专业电子实验室的电源处理、信号发生与信号检测还原等功能在性能参数上进行弱化，在满足了教学需求的前提下极大地减小了模拟电子实验的场地要求，学生与教师可将传统的模电实验随时搬进课堂教学环节中，“学”“做”相辅，极大地减少了传统模拟电子课程理论学习与实验验证之间的时间差，使学生能够真正地在第一时间对所学理论知识进行实验验证，及时辨析理论与实践之间的区别与联系。开放的信号接口也能够激发学生自制实验电路的热情，达到良好的以兴趣促进学习的目的。

参考文献：

[1] 周毅，薛迪杰.应用型人才培养模式下《模拟电子技术》实验教学改革与实践[J].电脑知识与技术，2021，17（16）：172-174.

[2] 束文强.新工科背景下模拟电子技术实验教学改革[J].科技视界，2022（3）：118-119.

[3] 褚刚秀，李科.模拟电子技术实验教学改革与研究[J].电脑知识与技术，2021，17（26）：206-208.

[4] 杜世勤.“模拟电子技术实验”课程教学的三种辅助工具[J].科技与创新，2021（23）：140-141.

[5] 陈安，梁远博，胡兆勇，等.模块化电工电子工程应用实验平台的设计和应用[J].中国现代教育裝备，2021（1）：30-32，39.

【通联编辑：闻翔军】