模擬電子綜合實驗教學探索

楊風健 霍旭陽 王彥麗

(吉林醫藥學院 生物醫學工程學院, 吉林 132013)

工程認證的核心理念是堅持以學生為中心OBE(產出導向教育)模式[1],以需求為導向,培養適應社會需求的應用型人才[2],這就對當前的理工科課程提出了新的要求,需要對傳統課程實踐方式做出改革與探索。

對于電類相關專業來說,“模擬電子技術”課程是專業必修的基礎課程[3],以往,在課程當中會設置有基于試驗箱的各種驗證性、演示性的實驗內容,但是在現今工程化、應用型人才培養的背景下,單純的分立式驗證性實驗已經無法滿足社會對于工程人才的培養需求。因此,在理論基礎教學之后,設置與之配套的綜合性實驗課程,探索如何提高學生的實踐動手能力,激發學生的學習興趣,變被動為主動,真正將課程理論知識在實踐中學以致用,具有非常重要的意義。

在近幾年的全國大學生電子設計競賽的綜合測評環節中,都會綜合運用“電路分析+模電+數電”的基本電路知識進行電路設計與調試工作[4],其考驗的是學生對電路的理解和掌握程度、電路仿真軟件應用能力、工具儀表的使用熟練程度等綜合實踐能力。

吉林醫藥學院生物醫學工程專業為適應工程認證培養要求,同時為電賽綜合測評進行有針對性的培訓,設立了“模擬電子綜合實驗”獨立實踐課程。在該課程中,設計一種集波形發生、分頻、波形轉換于一體的波形發生轉換電路,綜合運用Multisim及Altium Designer電路EDA軟件,結合洞洞板進行焊接實踐,為培養學生的實踐動手能力和邏輯思維能力,進行了實踐教學的初步探索。

1 實驗總體方案

在進行本實驗設計之前,學生需要完成的前期基礎課程應包含“電路分析”“數字電子技術”和“模擬電子技術”,并掌握基本的電路設計仿真軟件Multisim和Altium Designer的使用,具備基本的電路焊接調試能力和儀表工具的使用能力。

實驗內容為設計波形發生及轉換電路,具體電路參數如表1所示,各個電路單元所采用的芯片已被限定,并且輸出波形的頻率已給定,同時要求各部分波形應無明顯失真,頻率誤差容限為20%,是因為實驗用電容的容值精度為20%。

表1 波形發生轉換電路參數

按照圖1所示的實驗方案,需要根據實驗目標,利用Multisim進行電路的設計與仿真分析,仿真驗證無誤后,利用Altium Designer電路設計軟件模擬洞洞板的焊盤布局進行元件布局及走線繪制,最后需要參照元件布局布線圖在洞洞板上完成實物的焊接制作。

圖1 實驗總體方案

2 電路設計與仿真

電路設計框圖如圖2所示,要求電路整體采用單5 V電源供電,共包含5個電路功能單元,分別為:555方波發生電路、4分頻電路、方波轉三角波電路、三角波轉正弦波電路、正弦波轉方波電路,各個單元的參考電路設計將在下文中給出。

圖2 電路框圖

2.1 方波發生及分頻電路

方波發生電路采用555時基發生電路進行設計,可以利用Multisim的Tools功能里的Circuit wizards工具進行生成,具體電路設計如圖3所示。同時,圖4所示為利用軟件自帶的示波器觀察波形輸出情況,555輸出方波的占空比不做具體限定,因為該方波經過分頻電路后會自動轉換為50%占空比,圖4中上方曲線為分頻后的輸出波形,根據T2-T1的值為105 us,計算方波周期頻率約為9.5 kHz。

圖3 555方波發生及分頻電路

圖4 方波及分頻波形輸出

2.2 中間電平及方波轉三角波電路

由于電路采用了單5 V電源供電,因此需要為運算放大器構建中間電平,如圖5(b)所示,本設計中,將中間電平設置為2.5 V,通過兩個10 kΩ電阻分壓得到,并通過運放進行隔離輸出。方波-三角波轉換電路,如圖5(a)所示,實際上為積分電路,電流通過6.2 kΩ電阻對100 nf電容進行充電,積分電路的時間常數為620 us,而半個周期的方波時間為52.5 us,只取了積分時間的前8%部分作為三角波的輸出,目的是保留積分曲線相對比較線性的部分。按照電路參數進行仿真,如圖6所示,可以通過示波器觀察到方波與三角波的形態。

(b)中間電平電路圖5 積分電路與中間電平電路

圖6 方波-三角波轉換仿真

2.3 三角波轉正弦波電路

如圖7(a)所示,采用低通濾波電路將三角波轉換為正弦波,壓控電壓源二階低通濾波電路是模電教材中的經典教學案例,實際應用也較為廣泛。

(a) 低通濾波電路

(b)波形轉換仿真結果圖7 三角波-正弦波轉換

將三角波轉換為正弦波的關鍵是要合理設置低通濾波的截止頻率,濾除三角波中的高頻分量,電路中電阻為1.5 kΩ,電容100 nf,根據截止頻率計算公式f=1/(2πRC),計算結果為1061 Hz,如圖7(b)所示,為電路波形轉換仿真效果。

2.4 正弦轉方波電路

正弦波轉方波電路采用模電教材中的同相滯回比較電路,比較器反向端參考電壓由2個10 kΩ電阻分壓得到,為2.5 V,由R16=1 kΩ,R15=100 kΩ,根據門限寬度計算公式Vout×R16/R15得到寬度為50 mV,仿真結果如圖8所示。

(a)滯回比較電路

(b)仿真結果圖8 正弦波-方波轉換

3 模擬洞洞板布線

本實驗中要求學生必須采用洞洞板進行焊接,盡管現在雙面印刷電路板的制作成本已經非常低廉,但是洞洞板的焊接實踐也是電類專業學生必須要學習的實踐內容,有助于練習焊接基本功,洞洞板焊接時,如果直接對照電路原理圖進行焊接連線,由于走線較多,難免會出現漏連和錯連的現象,因此,實驗中要求學生借助Altium Designer(AD)電路設計軟件進行模擬洞洞板的布線設計。首先需要按照仿真好的電路圖,在AD中進行原理圖的繪制,并為所有元器件添加封裝,為了方便學生模擬實際洞洞板進行布線,在進行PCB設計時,需按照實際洞洞板的尺寸與焊盤位置設計好一個洞洞板的模型,模型中在bottom overlay層畫定了一個方框代表洞洞板實際尺寸,以2.54 mm的間隔繪制了圓形的陣列,代表洞洞板上的焊盤。布線時,要求走線必須經過圓形焊盤,以此來模擬真實的洞洞板焊接,布線時,每一個焊盤只能經過1條線,所有的元件均放置在正面,布線盡量放置在bottom layer,如果底層無法布通的情況下,可以在正面(top layer)走線,但是應盡量減少正面走線,因為正面的走線意味著在焊接時需要進行飛線連接,參考底層布線方案見圖9。

圖9 模擬洞洞板底層布線參考

4 電路測試與教學檢驗

4.1 電路測試

按照本文所述實驗方案在吉林醫藥學院18級和19級生物醫學工程專業進行2屆教學實踐,現以19級學生教學實踐為例進行說明,實驗學時為20學時,班級人數40人,采用五級制進行成績評定。圖10所示為某一名學生的焊接作品,圖11為通過示波器得到的實測波形,實驗結果表明,電路設計方案可行,能夠實現波形發生及轉換功能。

(a)正面

(b)背面圖10 學生焊接作品

(a)555輸出方波

(b)分頻波形

(c)三角波形

(d)正弦波形圖11 學生作品實測波形

4.2 教學檢驗

成績劃分的依據如表2所示,在同一個等次中有多名學生時,成績排序以完成時間的先后為序,圖12為最終的成績分布,電路功能全部實現的學生共有4名,24名學生的成績分布在中等,沒有不及格的學生。

圖12 成績分布

表2 成績評定依據

4.3 反思改進

根據2個期班的考核結果表明,在20學時的時間安排下,大多數學生能夠完成實驗要求的多數內容,實踐能力強的學生可以完成全部內容。但是成績分布不夠正態,多數學生成績是中等,也就是剩余2個電路單元的功能沒有實現,完成率并不高。經分析及對學生的調研,總結其原因,一是本門課程開設在大二下學期,學生前期課程涉及到動手實踐的課程比較少,且多屬于驗證性和仿真性質的實驗,對于實際電路的設計、焊接和調試的機會較少,經驗不足,而本門課程雖然原理簡明,但是在實際操作時對儀表操作、軟件使用、電路焊接等能力均有一定要求。二是授課時發現學生會在課程中提出很多問題,而在只有1名授課教師的情況下,很難面面俱到地及時解決所有學生的問題,造成一部分學生出錯返工,進度滯后。

針對以上問題提出改進措施,首先,對以往實踐過程中學生存在的共性問題進行總結,在開始實驗之前進行統一的講解,避免錯誤問題重復發生。其次,增加課堂教師的配比,按照師生比不低于1∶20進行設置;或者在實驗課前選拔動手能力強的學生進行針對性的培訓,這樣就可以在課堂時間協助教師解決其他學生提出的一些基礎問題。最后,針對部分動手能力較強的學生,在其完成實驗內容之后,加入熱轉印法制作印刷電路板的實驗內容,使其對PCB板的設計和制作過程有更深入的了解,掌握更加高效的電路設計和制作方法。

5 結語

模擬電子綜合實驗設計方案考察內容較為全面,綜合運用了多種電子基礎知識和專業技能,考察學生們的電路仿真與設計能力、電路板布局布線能力和常用工具儀表的使用熟練程度。通過近兩年的教學實踐表明,實驗內容設置合理,方案設計可行,經學生反饋,實踐訓練之后,確實對動手能力的提高有較顯著作用。但尚有待改進的空間,將在后續教學中加以改進。