李玲 周波 周國(guó)軍 宋陽(yáng)

摘要：針對(duì)模擬電路教學(xué)中存在的課程內(nèi)容較難、學(xué)員主動(dòng)學(xué)習(xí)意愿不足、理實(shí)脫節(jié)嚴(yán)重等問(wèn)題，結(jié)合課堂實(shí)施的可操作性，提出在原有理論分析及EWB仿真的基礎(chǔ)上，增加“面包板”實(shí)物演示環(huán)節(jié)，將理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)際緊密結(jié)合。實(shí)踐效果表明：在教學(xué)過(guò)程中適時(shí)增加實(shí)物演示環(huán)節(jié)，活躍了課堂氣氛，調(diào)動(dòng)了學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)員理實(shí)結(jié)合的工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：理論分析;EWB仿真;面包板;實(shí)物演示;理實(shí)結(jié)合

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）14-0199-02

模擬電路屬于高等教育工科類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，課程的學(xué)習(xí)目的，是為了讓學(xué)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(shù)方面的基本理論、基本方法，培養(yǎng)學(xué)員定性分析、定量估算的工程素養(yǎng)，為后續(xù)十幾門專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

現(xiàn)行教學(xué)模式存在的最大問(wèn)題是理論課和實(shí)驗(yàn)課脫節(jié)，由于課程安排、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教員人數(shù)等各方面因素的制約，學(xué)員往往不能在理論課后及時(shí)做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，因此對(duì)理論課內(nèi)容得不到有效的理解和掌握，從而喪失學(xué)習(xí)興趣。為此，筆者所在教學(xué)小組在原有軟件仿真的基礎(chǔ)上，又加入了“面包板”實(shí)物演示環(huán)節(jié)，既可增添課堂的趣味性，又可幫助學(xué)員將理論和實(shí)踐融會(huì)貫通，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

1“面包板”簡(jiǎn)介

“面包板”又名“萬(wàn)用線路板”或“集成電路實(shí)驗(yàn)板”，如圖1所示，是一種專為電子電路的無(wú)焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的板。板子上有很多小插孔，各種電子元器件可根據(jù)需要插入或拔出，免去了焊接，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省了電路的組裝時(shí)間，而且元件可以重復(fù)使用，非常適合電子電路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。

2基于“面包板”的教學(xué)實(shí)踐

將“面包板”融人教學(xué)實(shí)踐中，要選取具備可操作性的內(nèi)容，模擬電路課程的工程性特點(diǎn)使教學(xué)中的很多知識(shí)點(diǎn)都可以搭建成實(shí)際電路完成某些功能，簡(jiǎn)單的功能電路便可用“面包板”來(lái)實(shí)現(xiàn)，如“同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用”一節(jié)中“求和運(yùn)算電路”的教學(xué)要求如表1所示。

該小節(jié)教學(xué)目標(biāo)非常明確，即運(yùn)用已有知識(shí)實(shí)現(xiàn)求和運(yùn)算電路，并且說(shuō)明其實(shí)際應(yīng)用。為使學(xué)員對(duì)本小節(jié)內(nèi)容理解透徹，教學(xué)設(shè)計(jì)分為電路實(shí)現(xiàn)、理論分析、仿真驗(yàn)證、面包板演示和內(nèi)容小結(jié)五個(gè)環(huán)節(jié)，詳細(xì)教學(xué)過(guò)程如下。

2.1電路組成

現(xiàn)在的世界已變成電子的世界，集成運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”，是使用非常廣泛的基本電子器件，常用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yùn)算和反相比例運(yùn)算，如圖2所示，是運(yùn)放最基本的兩種應(yīng)用，其他由運(yùn)算放大器所構(gòu)成的功能電路都是在這兩種基本電路的基礎(chǔ)上演變過(guò)來(lái)的。

求和運(yùn)算電路需實(shí)現(xiàn)的是多路輸入信號(hào)的疊加，以兩路信號(hào)的求和運(yùn)算為例，可嘗試在兩種基本線性運(yùn)放電路的輸入端增加一路輸入信號(hào)。如在反相比例運(yùn)算電路的輸入端增加一路輸入信號(hào)vi2由于運(yùn)放輸出信號(hào)與同相輸入端輸入信號(hào)相位相同，與反相輸入端輸入信號(hào)相位相反，而反相比例運(yùn)算電路原有的輸入信號(hào)vi1通過(guò)電阻加在運(yùn)放的反相輸入端，為保證在輸出端實(shí)現(xiàn)的是vi1。與vi2之和，應(yīng)將增加的這一路輸入信號(hào)vi2也通過(guò)電阻加在運(yùn)放的反相輸入端，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2理論分析

在此電路中，運(yùn)放的輸出端與反相端相連，引入了負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)，“虛斷”和“虛短”都成立。根據(jù)基爾霍夫電流定律，對(duì)于運(yùn)算放大器反相輸入端的節(jié)點(diǎn)N，利用“虛斷”可得：

式（4）中的負(fù)號(hào)表示反相關(guān)系，所以此電路輸出電壓是兩輸入信號(hào)的反相比例求和運(yùn)算，通過(guò)調(diào)整R1、R2和R3的電阻值，即可得到想要的求和結(jié)果。

此外，由于電路中電阻元件為線性元件，運(yùn)放也工作在線性區(qū)，因此該電路可看作線性電路。又因?yàn)殡娐分杏袃陕份斎胄盘?hào)，故還可利用前續(xù)課程中學(xué)習(xí)過(guò)的疊加定理分析此電路的輸入輸出電壓關(guān)系，可讓學(xué)員自己分析，培養(yǎng)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力。

2.3仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此電路理論分析結(jié)果是否正確，在EWB仿真軟件中搭建電路進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)接人電路的兩輸入信號(hào)分別是有效值為1v和2v的正弦交流信號(hào)，電阻R1、R2、R3組織分別為1kW、2kW、2kW，根據(jù)理論計(jì)算，求和結(jié)果應(yīng)該是幅值為5.6V的正弦信號(hào)，相位與兩輸入信號(hào)相反。

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

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

2.4“面包板”演示

該求和運(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)vi1將伴唱的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)vi2那么通過(guò)調(diào)整R1和R2的電阻值，就可以得到想要的和聲信號(hào)。

根據(jù)以上原理，我們?cè)诿姘迳洗罱▽?shí)際電路，如圖6所示。其中運(yùn)放采用LM741型通用運(yùn)算放大器，供電電源為±9V的干電池，輸入信號(hào)一路為《我和我的祖國(guó)》清唱，另一路為伴奏，輸出的和聲結(jié)果送人揚(yáng)聲器播放。

為了區(qū)分輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，演示時(shí)先分別單獨(dú)播放清唱信號(hào)和伴奏信號(hào)，再同時(shí)播放兩路信號(hào)，這樣學(xué)員便可深刻體會(huì)到求和運(yùn)算電路的實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到“學(xué)有所用”的教學(xué)目標(biāo)。

2.5內(nèi)容小結(jié)

通過(guò)以上分析可明確，在反相比例運(yùn)算電路的反相輸入端通過(guò)電阻增加一路輸入信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)兩路輸入的反相求和運(yùn)算，并了解其實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)對(duì)此電路的分析，可總結(jié)出運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩種分析方法“虛斷”、“虛短”以及“疊加定理”。電路形式是千變?nèi)f化的，但是萬(wàn)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(yùn)放構(gòu)成的線性電路。類比此電路也可得出，如果要實(shí)現(xiàn)三輸入的反相求和運(yùn)算，再反相比例運(yùn)算電路的反相輸人端再加一路輸入信號(hào)即可;如果要實(shí)現(xiàn)同相求和運(yùn)算，只需將增加的輸入信號(hào)加在同相比例運(yùn)算電路的同相輸入端即可，這兩種情況均可由學(xué)員課下自主分析。

3結(jié)束語(yǔ)

筆者在一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將簡(jiǎn)單、易操作的“面包板”實(shí)物演示環(huán)節(jié)引入到模擬電路課程教學(xué)中，花費(fèi)很少的課堂時(shí)間，便可解決現(xiàn)有教學(xué)模式中的理實(shí)脫節(jié)問(wèn)題，學(xué)員可以真切感受到所學(xué)內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用，充分調(diào)動(dòng)了其學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)員的實(shí)踐意識(shí)和工程素養(yǎng)，課堂授課效果顯著提高。