模拟电子综合实验教学探索

杨风健 霍旭阳 王彦丽

(吉林医药学院 生物医学工程学院, 吉林 132013)

工程认证的核心理念是坚持以学生为中心OBE(产出导向教育)模式[1],以需求为导向,培养适应社会需求的应用型人才[2],这就对当前的理工科课程提出了新的要求,需要对传统课程实践方式做出改革与探索。

对于电类相关专业来说,“模拟电子技术”课程是专业必修的基础课程[3],以往,在课程当中会设置有基于试验箱的各种验证性、演示性的实验内容,但是在现今工程化、应用型人才培养的背景下,单纯的分立式验证性实验已经无法满足社会对于工程人才的培养需求。因此,在理论基础教学之后,设置与之配套的综合性实验课程,探索如何提高学生的实践动手能力,激发学生的学习兴趣,变被动为主动,真正将课程理论知识在实践中学以致用,具有非常重要的意义。

在近几年的全国大学生电子设计竞赛的综合测评环节中,都会综合运用“电路分析+模电+数电”的基本电路知识进行电路设计与调试工作[4],其考验的是学生对电路的理解和掌握程度、电路仿真软件应用能力、工具仪表的使用熟练程度等综合实践能力。

吉林医药学院生物医学工程专业为适应工程认证培养要求,同时为电赛综合测评进行有针对性的培训,设立了“模拟电子综合实验”独立实践课程。在该课程中,设计一种集波形发生、分频、波形转换于一体的波形发生转换电路,综合运用Multisim及Altium Designer电路EDA软件,结合洞洞板进行焊接实践,为培养学生的实践动手能力和逻辑思维能力,进行了实践教学的初步探索。

1 实验总体方案

在进行本实验设计之前,学生需要完成的前期基础课程应包含“电路分析”“数字电子技术”和“模拟电子技术”,并掌握基本的电路设计仿真软件Multisim和Altium Designer的使用,具备基本的电路焊接调试能力和仪表工具的使用能力。

实验内容为设计波形发生及转换电路,具体电路参数如表1所示,各个电路单元所采用的芯片已被限定,并且输出波形的频率已给定,同时要求各部分波形应无明显失真,频率误差容限为20%,是因为实验用电容的容值精度为20%。

表1 波形发生转换电路参数

按照图1所示的实验方案,需要根据实验目标,利用Multisim进行电路的设计与仿真分析,仿真验证无误后,利用Altium Designer电路设计软件模拟洞洞板的焊盘布局进行元件布局及走线绘制,最后需要参照元件布局布线图在洞洞板上完成实物的焊接制作。

图1 实验总体方案

2 电路设计与仿真

电路设计框图如图2所示,要求电路整体采用单5 V电源供电,共包含5个电路功能单元,分别为:555方波发生电路、4分频电路、方波转三角波电路、三角波转正弦波电路、正弦波转方波电路,各个单元的参考电路设计将在下文中给出。

图2 电路框图

2.1 方波发生及分频电路

方波发生电路采用555时基发生电路进行设计,可以利用Multisim的Tools功能里的Circuit wizards工具进行生成,具体电路设计如图3所示。同时,图4所示为利用软件自带的示波器观察波形输出情况,555输出方波的占空比不做具体限定,因为该方波经过分频电路后会自动转换为50%占空比,图4中上方曲线为分频后的输出波形,根据T2-T1的值为105 us,计算方波周期频率约为9.5 kHz。

图3 555方波发生及分频电路

图4 方波及分频波形输出

2.2 中间电平及方波转三角波电路

由于电路采用了单5 V电源供电,因此需要为运算放大器构建中间电平,如图5(b)所示,本设计中,将中间电平设置为2.5 V,通过两个10 kΩ电阻分压得到,并通过运放进行隔离输出。方波-三角波转换电路,如图5(a)所示,实际上为积分电路,电流通过6.2 kΩ电阻对100 nf电容进行充电,积分电路的时间常数为620 us,而半个周期的方波时间为52.5 us,只取了积分时间的前8%部分作为三角波的输出,目的是保留积分曲线相对比较线性的部分。按照电路参数进行仿真,如图6所示,可以通过示波器观察到方波与三角波的形态。

(b)中间电平电路图5 积分电路与中间电平电路

图6 方波-三角波转换仿真

2.3 三角波转正弦波电路

如图7(a)所示,采用低通滤波电路将三角波转换为正弦波,压控电压源二阶低通滤波电路是模电教材中的经典教学案例,实际应用也较为广泛。

(a) 低通滤波电路

(b)波形转换仿真结果图7 三角波-正弦波转换

将三角波转换为正弦波的关键是要合理设置低通滤波的截止频率,滤除三角波中的高频分量,电路中电阻为1.5 kΩ,电容100 nf,根据截止频率计算公式f=1/(2πRC),计算结果为1061 Hz,如图7(b)所示,为电路波形转换仿真效果。

2.4 正弦转方波电路

正弦波转方波电路采用模电教材中的同相滞回比较电路,比较器反向端参考电压由2个10 kΩ电阻分压得到,为2.5 V,由R16=1 kΩ,R15=100 kΩ,根据门限宽度计算公式Vout×R16/R15得到宽度为50 mV,仿真结果如图8所示。

(a)滞回比较电路

(b)仿真结果图8 正弦波-方波转换

3 模拟洞洞板布线

本实验中要求学生必须采用洞洞板进行焊接,尽管现在双面印刷电路板的制作成本已经非常低廉,但是洞洞板的焊接实践也是电类专业学生必须要学习的实践内容,有助于练习焊接基本功,洞洞板焊接时,如果直接对照电路原理图进行焊接连线,由于走线较多,难免会出现漏连和错连的现象,因此,实验中要求学生借助Altium Designer(AD)电路设计软件进行模拟洞洞板的布线设计。首先需要按照仿真好的电路图,在AD中进行原理图的绘制,并为所有元器件添加封装,为了方便学生模拟实际洞洞板进行布线,在进行PCB设计时,需按照实际洞洞板的尺寸与焊盘位置设计好一个洞洞板的模型,模型中在bottom overlay层画定了一个方框代表洞洞板实际尺寸,以2.54 mm的间隔绘制了圆形的阵列,代表洞洞板上的焊盘。布线时,要求走线必须经过圆形焊盘,以此来模拟真实的洞洞板焊接,布线时,每一个焊盘只能经过1条线,所有的元件均放置在正面,布线尽量放置在bottom layer,如果底层无法布通的情况下,可以在正面(top layer)走线,但是应尽量减少正面走线,因为正面的走线意味着在焊接时需要进行飞线连接,参考底层布线方案见图9。

图9 模拟洞洞板底层布线参考

4 电路测试与教学检验

4.1 电路测试

按照本文所述实验方案在吉林医药学院18级和19级生物医学工程专业进行2届教学实践,现以19级学生教学实践为例进行说明,实验学时为20学时,班级人数40人,采用五级制进行成绩评定。图10所示为某一名学生的焊接作品,图11为通过示波器得到的实测波形,实验结果表明,电路设计方案可行,能够实现波形发生及转换功能。

(a)正面

(b)背面图10 学生焊接作品

(a)555输出方波

(b)分频波形

(c)三角波形

(d)正弦波形图11 学生作品实测波形

4.2 教学检验

成绩划分的依据如表2所示,在同一个等次中有多名学生时,成绩排序以完成时间的先后为序,图12为最终的成绩分布,电路功能全部实现的学生共有4名,24名学生的成绩分布在中等,没有不及格的学生。

图12 成绩分布

表2 成绩评定依据

4.3 反思改进

根据2个期班的考核结果表明,在20学时的时间安排下,大多数学生能够完成实验要求的多数内容,实践能力强的学生可以完成全部内容。但是成绩分布不够正态,多数学生成绩是中等,也就是剩余2个电路单元的功能没有实现,完成率并不高。经分析及对学生的调研,总结其原因,一是本门课程开设在大二下学期,学生前期课程涉及到动手实践的课程比较少,且多属于验证性和仿真性质的实验,对于实际电路的设计、焊接和调试的机会较少,经验不足,而本门课程虽然原理简明,但是在实际操作时对仪表操作、软件使用、电路焊接等能力均有一定要求。二是授课时发现学生会在课程中提出很多问题,而在只有1名授课教师的情况下,很难面面俱到地及时解决所有学生的问题,造成一部分学生出错返工,进度滞后。

针对以上问题提出改进措施,首先,对以往实践过程中学生存在的共性问题进行总结,在开始实验之前进行统一的讲解,避免错误问题重复发生。其次,增加课堂教师的配比,按照师生比不低于1∶20进行设置;或者在实验课前选拔动手能力强的学生进行针对性的培训,这样就可以在课堂时间协助教师解决其他学生提出的一些基础问题。最后,针对部分动手能力较强的学生,在其完成实验内容之后,加入热转印法制作印刷电路板的实验内容,使其对PCB板的设计和制作过程有更深入的了解,掌握更加高效的电路设计和制作方法。

5 结语

模拟电子综合实验设计方案考察内容较为全面,综合运用了多种电子基础知识和专业技能,考察学生们的电路仿真与设计能力、电路板布局布线能力和常用工具仪表的使用熟练程度。通过近两年的教学实践表明,实验内容设置合理,方案设计可行,经学生反馈,实践训练之后,确实对动手能力的提高有较显著作用。但尚有待改进的空间,将在后续教学中加以改进。