“面包板”在模擬電路中的教學實踐

李玲 周波 周國軍 宋陽

摘要：針對模擬電路教學中存在的課程內容較難、學員主動學習意愿不足、理實脫節嚴重等問題，結合課堂實施的可操作性，提出在原有理論分析及EWB仿真的基礎上，增加“面包板”實物演示環節，將理論學習與工程實際緊密結合。實踐效果表明：在教學過程中適時增加實物演示環節，活躍了課堂氣氛，調動了學員的學習積極性，培養了學員理實結合的工程素養。

關鍵詞：理論分析;EWB仿真;面包板;實物演示;理實結合

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0199-02

模擬電路屬于高等教育工科類專業的重要專業基礎課，是一門工程性、實踐性很強的學科，課程的學習目的，是為了讓學員掌握電子電路中的基本器件、基本電路、以及功能電路，從而獲得電子技術方面的基本理論、基本方法，培養學員定性分析、定量估算的工程素養，為后續十幾門專業課程的學習奠定基礎。

現行教學模式存在的最大問題是理論課和實驗課脫節，由于課程安排、實驗設備、教員人數等各方面因素的制約，學員往往不能在理論課后及時做相應的實驗，因此對理論課內容得不到有效的理解和掌握，從而喪失學習興趣。為此，筆者所在教學小組在原有軟件仿真的基礎上，又加入了“面包板”實物演示環節，既可增添課堂的趣味性，又可幫助學員將理論和實踐融會貫通，達到學以致用的目的。

1“面包板”簡介

“面包板”又名“萬用線路板”或“集成電路實驗板”，如圖1所示，是一種專為電子電路的無焊接實驗設計制造的板。板子上有很多小插孔，各種電子元器件可根據需要插入或拔出，免去了焊接，操作簡單，節省了電路的組裝時間，而且元件可以重復使用，非常適合電子電路的組裝、調試和訓練。

2基于“面包板”的教學實踐

將“面包板”融人教學實踐中，要選取具備可操作性的內容，模擬電路課程的工程性特點使教學中的很多知識點都可以搭建成實際電路完成某些功能，簡單的功能電路便可用“面包板”來實現，如“同相輸入和反相輸入放大電路的其他應用”一節中“求和運算電路”的教學要求如表1所示。

該小節教學目標非常明確，即運用已有知識實現求和運算電路，并且說明其實際應用。為使學員對本小節內容理解透徹，教學設計分為電路實現、理論分析、仿真驗證、面包板演示和內容小結五個環節，詳細教學過程如下。

2.1電路組成

現在的世界已變成電子的世界，集成運算放大器，簡稱“運放”，是使用非常廣泛的基本電子器件，常用來實現各種功能電路。同相輸入和反相輸入放大電路，也稱為同相比例運算和反相比例運算，如圖2所示，是運放最基本的兩種應用，其他由運算放大器所構成的功能電路都是在這兩種基本電路的基礎上演變過來的。

求和運算電路需實現的是多路輸入信號的疊加，以兩路信號的求和運算為例，可嘗試在兩種基本線性運放電路的輸入端增加一路輸入信號。如在反相比例運算電路的輸入端增加一路輸入信號vi2由于運放輸出信號與同相輸入端輸入信號相位相同，與反相輸入端輸入信號相位相反，而反相比例運算電路原有的輸入信號vi1通過電阻加在運放的反相輸入端，為保證在輸出端實現的是vi1。與vi2之和，應將增加的這一路輸入信號vi2也通過電阻加在運放的反相輸入端，其結構如圖3所示。

2.2理論分析

在此電路中，運放的輸出端與反相端相連，引入了負反饋，運放工作在線性區，“虛斷”和“虛短”都成立。根據基爾霍夫電流定律，對于運算放大器反相輸入端的節點N，利用“虛斷”可得：

式（4）中的負號表示反相關系，所以此電路輸出電壓是兩輸入信號的反相比例求和運算，通過調整R1、R2和R3的電阻值，即可得到想要的求和結果。

此外，由于電路中電阻元件為線性元件，運放也工作在線性區，因此該電路可看作線性電路。又因為電路中有兩路輸入信號，故還可利用前續課程中學習過的疊加定理分析此電路的輸入輸出電壓關系，可讓學員自己分析，培養學員的自主學習能力。

2.3仿真驗證

為了驗證此電路理論分析結果是否正確，在EWB仿真軟件中搭建電路進行驗證。設接人電路的兩輸入信號分別是有效值為1v和2v的正弦交流信號，電阻R1、R2、R3組織分別為1kW、2kW、2kW，根據理論計算，求和結果應該是幅值為5.6V的正弦信號，相位與兩輸入信號相反。

根據原理電路在EWB中搭建仿真電路，仿真兩輸入信號和輸出信號波形。其中，兩輸入輸入信號波形如圖4所示，幅值分別是1.4V和2.8V。

求和仿真結果如圖5所示，其波形是幅值為5.6V的反相正弦信號，與理論分析結果一致。

2.4“面包板”演示

該求和運算電路生活上也很常用，比如在合唱比賽中，有主唱和伴唱。如果將主唱的聲音信號轉化為電信號vi1將伴唱的聲音信號轉化為電信號vi2那么通過調整R1和R2的電阻值，就可以得到想要的和聲信號。

根據以上原理，我們在面包板上搭建實際電路，如圖6所示。其中運放采用LM741型通用運算放大器，供電電源為±9V的干電池，輸入信號一路為《我和我的祖國》清唱，另一路為伴奏，輸出的和聲結果送人揚聲器播放。

為了區分輸入信號和輸出信號，演示時先分別單獨播放清唱信號和伴奏信號，再同時播放兩路信號，這樣學員便可深刻體會到求和運算電路的實際應用，達到“學有所用”的教學目標。

2.5內容小結

通過以上分析可明確，在反相比例運算電路的反相輸入端通過電阻增加一路輸入信號，即可實現兩路輸入的反相求和運算，并了解其實際應用。經過對此電路的分析，可總結出運放工作在線性區的兩種分析方法“虛斷”、“虛短”以及“疊加定理”。電路形式是千變萬化的，但是萬變不離其宗，只要掌握了這兩種分析方法，就可以分析所有由運放構成的線性電路。類比此電路也可得出，如果要實現三輸入的反相求和運算，再反相比例運算電路的反相輸人端再加一路輸入信號即可;如果要實現同相求和運算，只需將增加的輸入信號加在同相比例運算電路的同相輸入端即可，這兩種情況均可由學員課下自主分析。

3結束語

筆者在一學期的教學實踐過程中發現，將簡單、易操作的“面包板”實物演示環節引入到模擬電路課程教學中，花費很少的課堂時間，便可解決現有教學模式中的理實脫節問題，學員可以真切感受到所學內容的實際應用，充分調動了其學習積極性與主動性，培養了學員的實踐意識和工程素養，課堂授課效果顯著提高。