“模擬電子技術實驗”課程教學的三種輔助工具

杜世勤

（上海電機學院，上海201306）

當今時代，在人們生活和企業(yè)生產(chǎn)過程中，廣泛使用電子設備，完成了從電氣自動化到電子控制自動化的轉(zhuǎn)型。現(xiàn)在除了老年人，中青年和少年都習慣使用手機和電腦平臺進行網(wǎng)購，雖然手機和電腦主要是數(shù)字電子產(chǎn)品，但是里面的電源和射頻電路仍是模擬電路。工廠里PLC和工控機組網(wǎng)控制極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，但是要完成閉環(huán)控制系統(tǒng)，各路檢測信號，不論是電壓信號，還是電流信號，還是需要運算放大器放大之后，經(jīng)過AD（模數(shù)）轉(zhuǎn)換傳遞到計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之中。

在數(shù)字計算機被發(fā)明使用之前，模擬電子技術在20世紀前半葉是非常輝煌的，在自動控制系統(tǒng)中使用各種類型的運算放大器，幫助火炮發(fā)射、飛機駕駛等體現(xiàn)出優(yōu)異的性能?，F(xiàn)今還有一些工程師癡迷于模擬電子線路控制器，雖然控制器參數(shù)調(diào)整方面不如數(shù)控產(chǎn)品方便，但仍有控制起來直接快速的優(yōu)點。在數(shù)字電路快速發(fā)展的今天，模擬電子產(chǎn)品在信號產(chǎn)生、測量和放大等方面繼續(xù)發(fā)揮著不可替代的作用。

“模擬電子技術實驗”是大學電類專業(yè)學生的專業(yè)必修基礎課程，起著理論學習和實際相結合的橋梁作用。當正式進行實驗時，每個學校模電實驗室中的實驗工作臺不可能使所有學生人手一臺，基本都是每個學生一周僅有一次實驗課，甚至更少，學生輪換進入實驗室進行實驗操作，而大部分的實驗并不是一兩個課時就能完成的，這樣就會出現(xiàn)學生好不容易在一次課時完成的電路連接，還沒有進行數(shù)據(jù)檢測的情況下，不得不重新收起來，以供下節(jié)上課的學生使用實驗室，影響了學生的學習熱情[1]。

如何幫助學生完成模擬電子技術實驗，提升教學成果，就是擺在模電實驗老師面前的一個重要課題。近年來隨著電子技術教學面向應用化、集成化、智能化等方面不斷進行改革，實驗教學的改革也應緊隨其后，不斷探索如何提高學生綜合應用能力和實踐創(chuàng)新能力，以適應學生在后續(xù)課程的學習和將來崗位適應能力的發(fā)展[2]?；谏鲜鏊悸?，本文接下來介紹模擬電子技術實驗的軟件仿真、網(wǎng)絡實驗平臺和手提實驗箱三種輔助工具。

1 “模擬電子技術實驗”課程教學的三種輔助工具

本文以經(jīng)典單管共射放大電路為例，介紹三種學生可自由行動實驗的輔助工具，即模擬電子技術實驗的軟件仿真、網(wǎng)絡平臺實驗和手提實驗箱。

1.1 軟件仿真

常用的仿真軟件有Multisim、Proteus和Pspice等，這類軟件大多可以在Windows環(huán)境里運行，界面友好，學生上手較快。學生選用電子元器件、連接各部分電路、使用測試儀器這些環(huán)節(jié)，一般都在窗口屏幕上完成。變換元器件參數(shù)對電子線路性能的影響，可以及時查看結果。這類仿真軟件有教育版，學生可以不用花費金錢得到使用權。

有關引入上述仿真軟件，如何具體仿真操作，提高模電教學效果的文章是比較多的。本文直接引用文獻[3]的結論，單管共射放大電路的Multisim仿真模型如圖1所示，先做Multisim仿真使學生熟悉電路原理，再結合實驗操作，提高學生分析電路的能力，加深學生對理論的理解，鍛煉學生操作的能力，達到了實驗教學改革的預期效果[3]。

圖1 單管共射放大電路的Multisim仿真

使用軟件仿真，得到的實驗結果比較理想化，學生之間相互抄襲仿真模型也比較容易，而下面介紹的網(wǎng)絡實驗平臺上做實驗和手提箱上接具體線路，即使要抄襲，工作量就大了，實際上學生至少從頭到尾自己做了一次實驗。

1.2 網(wǎng)絡實驗平臺

為保障高校的實驗教學，減少疫情對學生學習的影響，東南大學電工電子實驗中心整合現(xiàn)有資源，開通了“東南在線實驗”平臺，學生可在家庭、宿舍、教室、圖書館等任何有網(wǎng)絡的場地進行實驗，為學生提供了自主設計、自我管理實踐渠道，每個實驗都有可遠程操控的儀器儀表及硬件電路，而非軟件仿真。使用者通過瀏覽器訪問在線實驗平臺，用真實電子元器件、連接導線構建電路，設置儀器工作狀態(tài)，測量參數(shù)觀察波形，分析處理實驗數(shù)據(jù)，撰寫提交實驗報告，完成設計性、綜合性、探究性實驗[4]。單管共射放大電路的網(wǎng)絡實驗平臺電路如圖2所示。

圖2 單管共射放大電路網(wǎng)絡平臺實驗

任課老師為每一位學生向?qū)嶒炂脚_申請賬號，網(wǎng)絡實驗平臺給予開通實驗權限后，學生就可以在自己宿舍里、圖書館閱覽室甚至自己家里做模電實驗。網(wǎng)絡實驗平臺的操作與上述Multisim軟件仿真過程大體相同，但是后臺有實驗自動化設備支撐。網(wǎng)絡實驗平臺完成的實驗記載有學生的姓名、學號和完成時間，便于老師批閱管理。即使是使用別人的電腦，但是學生用自己的賬號，實驗工作不能抄襲，要從頭到尾自己做一次了。

在網(wǎng)絡實驗平臺上做單管共射放大電路，虛實結合，只要時間錯開，一個機臺可以給全國各地的學生做實驗，是有實力的公司要去努力的方向。伴隨著5G時代的到來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)給我們展示了一個輝煌的未來，人們在工控電腦甚至觸摸屏前面，就可以操縱全國各地的生產(chǎn)機械。人們因而可以抽出更多的時間休閑，更多的時間研發(fā)人工智能。

1.3 手提實驗箱

配備有正負電源和實驗用元器件的手提實驗箱，箱子里面有面包板，學生可以獨立自主地在上面搭建電子線路。

單管共射放大電路的手提實驗箱電路，如圖3所示。板子中共有3塊獨立面包板組成，上、下兩塊是橫排孔相通的結構，便于電源和接地的連接，這樣做既節(jié)省導線，又能增加可靠性。中間一塊面包板是列排孔相通的結構，中間一塊有凹槽，是安插雙列直插式集成電路芯片的地方。

圖3 單管共射放大電路的手提實驗箱電路

每個學生都有自己的實驗箱，每次實驗老師檢查學生接線情況，這樣就促使每個學生自己動手做實驗。學生在手提實驗箱上具體接線時，要用剪刀減去元器件上過長的引腳，考慮元器件的合理布局，以盡可能地利用面包板本身的內(nèi)部連接線，完成線路的連接工作。實驗結果要寫到實驗報告中，學生還要考慮信號的引入和檢測位置，靜態(tài)工作點要方便測試。完成實驗連線工作，在實驗課的時間里，學生手提實驗箱到實驗室就可以進行線路檢測和調(diào)試了，碰到問題也有了思考和解決時間。

2 結論

通過上述單管共射放大電路的軟件仿真、網(wǎng)絡平臺實驗和手提實驗箱電路搭建的分析，得出它們的共同優(yōu)點是學生可以利用課余時間，解決了實驗時間緊張，學生在實驗課堂里不能有點放矢地測試實驗結果的問題。實踐也證明，上述“模擬電子技術實驗”課程教學的三種輔助工具，對于提升學生學習“模擬電子技術實驗”課程的興趣有較好的作用。伴隨著5G時代的到來，模擬電路網(wǎng)絡實驗平臺這個輔助工具還可以開拓學生工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)思維，使學生提前掌握一項未來的應用技術。