基于以教促赛的模拟电子技术综合实验改革与探索

摘 要：为了提高学生参加学科竞赛的能力和积极性，提出基于以教促赛的模拟电子技术综合实验改革。以音响放大器设计项目为例，学生通过全流程参与项目，能够将电路理论知识和实际电路设计联系起来，既熟悉了电子系统设计的概念、方法和实现的多样性，又提高了EDA设计工具使用的熟练度，以及分析计算电路参数和电路调试、测试的能力。实验改革提升了课程的教学质量和学生的综合能力，学科竞赛的参与度与获奖率也得到了提高。

关键词：学科竞赛；模拟电子技术实验；电子设计

中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）16-0194-05

Reform and Exploration of Comprehensive Experiment of Analog Electronic Technology Based on Racing through Teaching

Abstract： In order to improve students' ability and enthusiasm to participate in academic competitions， the reform of analog electronic technology comprehensive experiment based on racing through teaching is proposed. Taking the design project of audio amplifier as an example， by participating in the whole process of the project， students can link the theoretical knowledge of circuits and actual circuit design， and not only familiarize with the concepts， methods and the pqVTjmLVRefxAfA5bQ7WyF9HwdxQZrqm6QD4TDmsR70=diversity of realization of electronic system design， but also improve the proficiency of using EDA design tools， as well as the ability to analyze and calculate circuit parameters and circuit debugging and testing. The experimental reform has improved the teaching quality of the courses and the comprehensive ability of the students， and the participation and award rate of academic competitions have been increased.

Keywords： academic competition; analog electronic technology experiment; electronic design

0 引 言

模拟电子技术实验是电子类专业的一门基础实验课程，对于培养学生的模拟电路分析设计能力有着非常重要的作用[1-3]。但是传统的模拟电子技术实验，课程内容比较单一，导致学生的学习兴趣不高，影响后续课程的学习以及学生参与学科竞赛的积极性[4-5]。在国家新工科建设和工科专业教育工程认证的背景下，各高校针对模电实验课进行了一系列的教学改革与探索[6-10]，以提高学生的工程实践应用能力，满足社会对复合型新工科人才的需求。

为了加强电子专业学生实践能力的考核，我校将模拟电子技术课程的实验部分独立出来，成为一门单独的实验课程，以提高学生的动手能力和工程应用能力。我校传统的模拟电子技术实验课程采用清华大学的试验箱，内容主要包括单级放大电路、两级放大电路、负反馈放大电路、射极跟随器、差动放大电路、比例求和运算电路、积分与微分电路、波形发生电路、有源滤波器、电压比较器、波形变换电路、振荡电路以及功率放大电路等，多为验证性实验，不利于培养学生的自主学习能力和创新能力。课程采用学生课前预习，撰写预习报告，然后进实验室做实验的教学模式。发现多数学生预习效果比较差，做实验时只是机械地跟着实验指导书按部就班的操作，学生学习兴趣比较低，达不到预期的教学效果，导致电子专业学生实践能力普遍比较差，参加学科竞赛的意愿也非常低，不利于创新型人才的培养。在此背景下，我校开设模拟电子技术综合实验课程，通过让学生参与音响放大器设计实践项目，体验工程项目设计的全流程，激发学生学习的主观能动性和积极性，锻炼团队协作能力，提升分析问题、解决问题的能力以及工程实践能力，为后续课程的学习打下坚实的实践基础，同时也为学生参加学科竞赛以及今后的就业提供专业技能。

1 实验课程内容

1.1 课程内容与任务

要求学生三人一组，根据所学模电知识，采用集成运放和分立元件设计并制作一个音响放大器，主要技术指标要求如表1所示。

实验内容分为两个层次：基础层和提高层。基础层要求：根据设计指标，设计各级电路结构，通过分析计算确定元器件参数，利用Multisim绘制电路原理图并进行仿真；设计PCB板，完成焊接、系统的调试与性能参数的测试，整理实验数据并撰写设计报告。提高层要求：设计并制作12 V电源为音响放大器供电，自己制作PCB板。

1.2 课程实施模式

音响放大器的设计与实际生活紧密关联，学生完成项目后可以体验音频放大的实际效果，容易获得成就感，同时又是模电知识的一个综合应用，需要运用音频信号的采集、信号放大与滤波、功率放大、工程计算、Multisim软件使用、电路调试和测试等相关知识与技术方法，可以提高学生的电子设计综合技能。课程实施模式如图1所示，经历任务讲解、组队分工、资料查阅、方案论证、参数计算、仿真优化、PCB设计、PCB制板（自己加工或者由代工厂加工）、组装焊接、测试调试、设计报告、答辩总结等环节。

在实验教学过程中，应在以下几方面加强对学生的引导：

1）学习了解音频放大器系统的组成：信号前置放大器、主控前置放大器和功率放大器，每级放大器的功能和设计难点，放大器之间的级间匹配。

2）明确音频信号的频率范围与特点；对于不同的麦克（MIC），其信号幅度、线性度、输出阻抗等存在较大差异，一方面要选择合适的麦克，另一方面应根据所选麦克采用设计信号前置放大器的输入阻抗、增益等参数。

3）集成运放是该实验的核心元件，结合实例讲解集成运放的应用及注意事项，使学生对输入阻抗、输入偏置电流、输入失调电压、增益带宽、噪声等指标有更深刻的理解，从而知道如何去设计平衡电阻、补偿失调电压，避免自激振荡。

4）指导学生根据性能指标，选择合适的电路结构，分析电路的工作原理与设计方法，计算电路中的元器件参数。

5）指导学生使用Multisim软件进行电路的仿真分析，根据仿真结果适当改进电路使其满足性能指标；仿真时先设计每个子模块电路，保证各子模块工作正常后再进行联合仿真，同时要注意各指标应留有足够的裕量。

6）选用元器件时，指导学生学会查找元器件的Datasheet，了解其性能及典型应用电路，进而结合仿真结果选择合适的元器件；在满足设计的条件下，尽可能选择通用元器件、减少元器件的种类及规格。

7）指导学生采用立创EDA进行PCB设计，提醒学生布局的重要性，结合实例讲解如何布局布线。

8）调试过程中，仔细检查线路无误后，要求学生先调试每个子模块电路，测试直流工作点是否正常，然后进行其他性能指标的测试，根据测试结果分析是否满足设计要求；所有子模块电路都测试完并满足要求后，逐级级联各子模块电路进行系统联合测试；指导学生整理实验数据，撰写规范的设计报告。

9）实验完成后，组织学生答辩，分享设计过程中遇到的问题及解决方法，电路设计方法和调试技巧，通过交流讨论拓展学生的设计思路，提高设计能力。

2 音响放大器设计实验设计方案

本实验中的音响放大器主要由信号前置放大、主控前置放大器和功率放大器组成，系统方案如图2所示。信号前置放大器包括均衡放大器和话筒放大器；主控前置放大器包括平衡调节电路、音量调节电路和音调控制放大器。

2.1 信号前置放大器电路设计方案

信号前置放大器包括均衡放大器和话筒放大器。均衡放大器主要是对音源输出的信号进行处理，提高输入阻抗并减少对音源的干扰是设计要点，图3是一个由运放构成的均衡放大器参考电路。

话筒放大器主要是对话筒（麦克）输出过来的微弱信号进行放大，不同的麦克输出信号幅度和输出阻抗不尽相同，因此为了实现最大功率传输，要求话筒放大器的输入阻抗和麦克的输出阻抗阻抗匹配，一种话筒放大器参考电路如图4所示。

2.2 平衡调节与音量调节电路设计方案

混合平衡与音量调节电路主要有两个功能，一是用来平衡音源输出信号和麦克输出信号，二是用来调节音响的音量大小，图5为一种可能实现的参考电路。

2.3 音调控制放大器电路设计方案

音调控制放大器主要由两部分组成，一部分为音调调节电路，主要对低音、中音和高音进行调节，优化音质；另一部分为带宽控制电路，控制放大器的带宽，使带宽符合设计要求。音调控制放大器是本系统的设计难点，可结合实例向学生讲解电路工作原理、设计方法、元器件参数计算以及电路调试技巧等。图6和图7分别为音调调节电路和带宽控制电路的参考电路。

2.4 功率放大器电路设计方案

功率放大器是本系统的设计重点和难点，建议学生采用集成功率放大器，以减小设计难度，设计时注意滤波以及与扬声器之间的阻抗匹配，一种功率放大器参考电路如图8所示。

2.5 PCB设计与制作

完成电路的仿真优化后，采用立创EDA进行PCB的设计，如图9所示。对于学有余力、有研究能力和兴趣的同学，可以自己在实验室制作PCB板。

2.6 焊接调试

PCB制作完成后，购买元器件进行焊接调试，制板和焊接过程如图10所示，焊接完的实物如图11所示。完成音响放大器的功能测试后，进行详细的指标测试。

2.6.1 输入阻抗测试

输入阻抗的测试方案如图12所示，由图可知：

测试得到Us = 1 120 mV，Ui = 880 mV，由式（1）可以计算出输入电阻Ri约为579 kΩ，符合设计要求。

2.6.2 整机效率测试

整机效率的测试方案如图13所示，音响放大器工作在额定输出功率为2 W时，测出电源VCC上的电流I为0.25 A，输出电压的峰峰值UL为11.34 V，则可以计算出整机效率为：

2.6.3 话筒灵敏度测试

话筒灵敏度的测试方案如图14所示，逐渐增大输入信号，当输出功率达到额定输出功率时，此时对应的话筒输入电压即为话筒灵敏度，测试得到话筒灵敏度为1 mV。

2.6.4 带宽测试

带宽测试的方案如图15所示，采用点频法测试，即输入信号幅值不变，逐渐改变输入信号频率，测得对应的输出电压幅值，得到的幅频特性曲线如图16所示。

3 教学效果分析

模拟电子技术是电子专业的核心基础课程，运放的应用电路设计更是重中之重。在音响放大器实验项目的实施过程中，信号的滤波与放大都需要运放，有助于学生理解运放的工作原理和使用，了解仿真结果和实际测试结果之间的差异，锻炼了学生将模电的理论知识应用到实际电子工程项目的能力；同时学生的电路设计分析能力、Multisim和立创EDA软件的使用熟练度、焊接调试能力得到了提高，此外学生撰写设计报告和答辩PPT的能力，以及团队协作能力也都得到了训练。

完成该实验项目后，学生的综合能力和自信心得到了加强，参与学科竞赛的积极性明显提高，近两年报名参加电子设计竞赛、智能汽车竞赛、工程实践与创新能力大赛、集成电路创新创业大赛等学科竞赛的人数大大增加，累计获得国家级奖项2项，省级奖项24项。

4 结 ; 论

模拟电子技术综合实验课程的开设，加强了理论与实践的联系。在课程实施过程中，学生掌握了电子电路的理论分析计算，能够熟练使用Multisim进行仿真优化，熟悉了PCB的布局布线规则，以及使用立创EDA进行PCB设计，焊接测试过程中掌握了常见电子测试仪器的使用和测试方法，理解了理论电路与实际电路的差异。通过该课程的学习，学生理论知识得到巩固，综合实践能力得到提高，参与学科竞赛的积极性和参赛水平明显提高，达到了以教促赛、以赛促教和教赛互补的效果。

参考文献：

[1] 印月，周群，马雪莲.以考促赛——模拟电子技术实验改革新思路 [J].实验科学与技术，2015，13（5）：96-99.

[2] 王翠，吕曙东.“模拟电子技术”实验教学改革探索与实践 [J].电气电子教学学报，2019，41（2）：152-154.

[3] 陈军波，周慧，杨丹丹，等.新工科背景下“模拟电子技术”课程教学改革探索 [J].电气电子教学学报，2020，42（3）：41-44+48.

[4] 孙长伟，刘旭，王艳春，等.新工科背景下模拟电子技术实验课程教学创新实践 [J].现代信息科技，2023，7（21）：191-194+198.

[5] 程春雨，商云晶，吴雅楠，等.“模拟电子技术”实验多维度实验教学改革与实践 [J].工业和信息化教育，2018（1）：10-16.

[6] 王永玲，李剑锋，赵玉杰，等.基于虚拟仿真技术的模拟电子技术实验教学模式改革 [J].高教学刊，2023，9（8）：10-15.

[7] 贾绍芝，王康宁.基于非线性失真装置研究的“模拟电子技术基础”实验教学改革探讨 [J].工业和信息化教育，2023（6）：55-60.

[8] 束仁义，沈晓波，郑晓东，等.电赛真题在模拟电子技术实验项目中的应用研究 [J].实验室科学，2022，25（3）：221-223.

[9] 巩彩丽，魏永峰，王鑫，等.以项目代替实验的模拟电路实验教学改革探索 [J].工业和信息化教育，2023（12）：66-70.

[10] 任君玉.模拟电子技术实验教学改革与创新人才培养 [J].实验技术与管理，2019，36（9）：219-221.