“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，在人們生活和企業生產過程中，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型。現在除了老年人，中青年和少年都習慣使用手機和電腦平臺進行網購，雖然手機和電腦主要是數字電子產品，但是里面的電源和射頻電路仍是模擬電路。工廠里PLC和工控機組網控制極大地提高了產品的生產效率和質量，但是要完成閉環控制系統，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，經過AD（模數）轉換傳遞到計算機數據處理系統之中。

在數字計算機被發明使用之前，模擬電子技術在20世紀前半葉是非常輝煌的，在自動控制系統中使用各種類型的運算放大器，幫助火炮發射、飛機駕駛等體現出優異的性能。現今還有一些工程師癡迷于模擬電子線路控制器，雖然控制器參數調整方面不如數控產品方便，但仍有控制起來直接快速的優點。在數字電路快速發展的今天，模擬電子產品在信號產生、測量和放大等方面繼續發揮著不可替代的作用。

“模擬電子技術實驗”是大學電類專業學生的專業必修基礎課程，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，這樣就會出現學生好不容易在一次課時完成的電路連接，還沒有進行數據檢測的情況下，不得不重新收起來，以供下節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新能力，以適應學生在后續課程的學習和將來崗位適應能力的發展[2]。基于上述思路，本文接下來介紹模擬電子技術實驗的軟件仿真、網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節，一般都在窗口屏幕上完成。變換元器件參數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，測量參數觀察波形，分析處理實驗數據，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絡實驗平臺電路如圖2所示。

圖2 單管共射放大電路網絡平臺實驗

任課老師為每一位學生向實驗平臺申請賬號，網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，工業互聯網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機械。人們因而可以抽出更多的時間休閑，更多的時間研發人工智能。

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，模擬電路網絡實驗平臺這個輔助工具還可以開拓學生工業互聯網思維，使學生提前掌握一項未來的應用技術。