低頻電子線路課程建設與工程實踐能力培養

郭志濤 袁金麗 劉翠響 王寶珠

摘要：低頻電子線路課程是理工科大學電類專業一門重要的專業基礎課，授課內容廣泛、基礎，對于后續課程的學習有很大的影響。如何在課程的授課環節和實驗環節培養學生的工程意識和動手能力是低頻電子線路課程建設需要認真思考的問題。關鍵詞：低頻電子線路；工程意識；實踐能力中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）38-0134-02

一、引言

低頻電子線路課程承接電路原理課程，并為而后續高頻電子線路、通信原理、單片機等課程奠定基礎，授課學生范圍非常廣泛，是一門培養電子工程化思維、提高實踐動手能力的關鍵課程。低頻課程主要講述最基本的信號放大、處理以及電源等知識，與之前的電路基礎等課程相比，更加貼近實際工程應用，其知識內容本身就具有工程性和實踐性特點。結合低頻課程授課和相關實驗幫助學生走出單純課本的理論知識，面向實際應用，體會工程概念是學生建立工程應用思維的重要環節，同時在后續課程體系中不斷強化工程思維意識，最終才能達到卓越工程師的培養目標，成為具有“工匠精神”工程人才。

二、低頻電子線路課程工程性的特點

教科書中抽象的元件、電路一旦變成具體實際的功能電路，需要考慮的因素非常多，從電路可靠性、成本性價比到電路的精確性、防干擾能力等等都需要從實際的角度出發進行設計考慮。低頻電子線路課程內容的工程化思維主要體現在以下四個方面。

1.工程誤差存在的合理性。實際工程在滿足基本性能指標的前提下，總是允許存在一定的誤差范圍，這種誤差具有合理性。這是由于電路的性能參數存在有一定的工作范圍，同時所采用元器件的參數也具有允許的誤差范圍，從而使得實際電路的元件選取做不到像理論電路一樣精確。比如設計發光二極管的驅動電路，發光二極管驅動電流在5～15mA，導通電壓為1V，電源電壓為3.3V，如何確定限流電阻的阻值。計算可得：

R==230Ω～460Ω

可以算出電阻的取值范圍是460歐姆～230歐姆，根據電阻國標中的E24系列，可以選用的電阻有230歐姆、240歐姆、300歐姆等幾種，具體的選取可以進一步根據二極管發光強度和系統功耗兩個方面進行考慮。

2.工程近似分析的合理性。實際工程中電路結構復雜，按照精確計算進行分析，往往會費事費力，事倍功半達不到快速解決問題的要求，所以在合理的范圍內進行工程近似，抓住問題的主要矛盾和矛盾的主要方面，快速分析問題。例如在三極管分壓偏置電路中，往往會采用工程近似進行快速分析，圖1所示為三極管放大電路的直流通路，采用分壓偏置電路設定靜態工作點，試求取I和V。

若采用精確分析法，需要把電路進行戴維南電路等效，然后再輸入回路求I，根據三極管的電流傳輸方程，獲得I，進行求解。而當符合（1+β）R>>R的條件時，可采用工程近似分析，，從而快速得到結論。

3.實際工程需要證明其可行性。在實際工程分析中首先強調定性分析，確定電路的可行性。定性分析與定量分析應該是統一的、相互補充的；定性分析是定量分析的基本前提，沒有定性的定量是一種盲目的、毫無價值的定量；定量分析使之定性更加科學、準確，它可以促使定性分析得出廣泛而深入的結論。

4.電路分析的模型性。電子線路歸根到底屬于電路范疇，不同條件下建立不同的模型進行進行分析。利用模型進行分析是解決工程問題的重要思想，在低頻電子線路課程中各種器件包括二極管，三極管，場效應管、運算放大器都有其對應的電路模型，而且在面對不同場合下，同一器件等效為不同的模型。比如在含有三極管的電路分析中，分析其直流的靜態工作點時，三極管的發射結等效為一個0.7V的電壓源，0.7V是工程規定發射結的正向導通電壓，而當進行小信號的交流分析時，三極管的發射結等效為交流電阻 rbe，其值與當前的靜態工作點有關。

三、低頻電子線路課程實踐性的特點

1.對于低頻電子線路的測量需要熟練掌握常用的電子儀器的使用方法。通用電子儀器設備包括模擬示波器、數字示波器、信號發生器、數字萬用表等等，熟練掌握這些儀器設備的使用方法是培養學生動手能力的基本要求。能力培養有賴于在課程實驗環節當中反復練習，長時間的大量操作能夠幫助學生“熟能生巧”。課程實驗操作中包括兩部分：電路系統的連接以及參數的測量，電路連接考察學生的讀圖能力，參數測量著重考察學生儀器儀表的使用。在實驗教學前導介紹中，充分利用多媒體設備，將實驗內容中的電路的連接操作和儀器儀表使用方法制成圖片和視頻，采用PPT放映以輔助老師的講解。圖2所示，是對于示波器和信號發生器的操作介紹。

2.實踐中電路不同性能指標需要掌握不同的測試方法。電路的測量需要根據參數內容選取適合的測量方法，三極管放大電路中的直流靜態工作點需要采用數字萬用表進行測量，其中電流ICQ可以通過切換萬用表的電流檔位串聯接入電路進行直接測量，更多情況下測量電阻RC承載的電壓進行間接測量，而輸出交流電壓幅值以及電壓增益等交流參數則需要采用示波器觀察波形讀取幅度進行計算測量；對于輸入電阻、輸出電阻這些實際并不存在的等效電阻不能直接測量，需采用特定的測量方法，利用通過測量信號源在電路輸入端的分壓比計算獲得。

3.實踐中需要掌握電路故障的判斷和解決方法。在實踐環節中可以采用多種方法實現故障定位：

（1）靜態觀察法。不通電的情況下對電路結構，元件參數進行觀察分析查找故障。（2）通電測量法。通電后測試關鍵點的電壓、電流、對信號進行跟蹤測量查找原因。（3）對比替代法。通過對比法檢測正常電路的性能參數，利用正常的元件逐一對可能發生故障的電子元件進行替換從而發現故障點。故障的查找主要依靠扎實的電路模型、原理知識掌握和實際測試的分析能力，實現理論和實際相結合才能夠能夠準確定位故障并進行解決。

故障的解決方法從提高靜態工作點入手，增加R，減小I，減小R，減小β等方法都可以提高V，保證負半周的放大范圍。反之，當測試輸出波形的正半軸出現平頂失真，可知是由于V過高，太接近電源所導致，可以通過增加R，增加R的方法調整靜態工作點位置實現波形的正常放大。

4.培養學生掌握常用電子輔助設計軟件（EDA）的使用方法。隨著計算機仿真技術的發展，電子輔助軟件已成為電路設計、功能驗證、模型推導等方面的重要工具，學生在很多情況下可以利用虛擬實驗技術進行真實電路的仿真測量。EDA軟件具有電路搭建便捷、參數測量準確、記錄數據可靠、故障查找簡單等優點。采用虛擬實驗的方法可以使學生對實驗內容、實驗環節和實驗數據進行基本掌握，幫助學生對真實實驗的理解和掌握。此外，考慮到真實實驗的硬件和場地限制，很多實驗雖然不能在實際測試，卻可以通過虛擬實驗來完成。這樣，學生可以通過虛擬實驗來學習、熟悉儀器設備操作和實驗步驟，掌握實驗的原理和測試方法，而且采用虛擬實驗學生不再受場地、儀器等條件的限制，通過計算機仿真軟件即可實現實驗，觀察到與真實實驗近似一致的實現現象和數據結果。

四、結論

低頻電子線路課程具有基礎性、工程性、實踐性的特點，學生在理解電路原理的基礎上通過實踐，培養動手能力，繼而了解該學科的工程性特點，為日后從事專業技術工作打下良好基礎。在課程的建設中應該以培養社會需要的工程技術人才為目標，建立課程與實際工程緊密的連接關系，幫助學生樹立理論指導實踐，并在實踐中體會理論應用的工程思想和實踐能力，培養出社會需要的現代化工匠人才。

參考文獻：

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