摘 要：為了提高學(xué)生參加學(xué)科競賽的能力和積極性，提出基于以教促賽的模擬電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)改革。以音響放大器設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，學(xué)生通過全流程參與項(xiàng)目，能夠?qū)㈦娐防碚撝R(shí)和實(shí)際電路設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，既熟悉了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念、方法和實(shí)現(xiàn)的多樣性，又提高了EDA設(shè)計(jì)工具使用的熟練度，以及分析計(jì)算電路參數(shù)和電路調(diào)試、測試的能力。實(shí)驗(yàn)改革提升了課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合能力，學(xué)科競賽的參與度與獲獎(jiǎng)率也得到了提高。

關(guān)鍵詞：學(xué)科競賽；模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)；電子設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）16-0194-05

Reform and Exploration of Comprehensive Experiment of Analog Electronic Technology Based on Racing through Teaching

Abstract： In order to improve students' ability and enthusiasm to participate in academic competitions， the reform of analog electronic technology comprehensive experiment based on racing through teaching is proposed. Taking the design project of audio amplifier as an example， by participating in the whole process of the project， students can link the theoretical knowledge of circuits and actual circuit design， and not only familiarize with the concepts， methods and the pqVTjmLVRefxAfA5bQ7WyF9HwdxQZrqm6QD4TDmsR70=diversity of realization of electronic system design， but also improve the proficiency of using EDA design tools， as well as the ability to analyze and calculate circuit parameters and circuit debugging and testing. The experimental reform has improved the teaching quality of the courses and the comprehensive ability of the students， and the participation and award rate of academic competitions have been increased.

Keywords： academic competition; analog electronic technology experiment; electronic design

0 引 言

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是電子類專業(yè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的模擬電路分析設(shè)計(jì)能力有著非常重要的作用[1-3]。但是傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，課程內(nèi)容比較單一，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及學(xué)生參與學(xué)科競賽的積極性[4-5]。在國家新工科建設(shè)和工科專業(yè)教育工程認(rèn)證的背景下，各高校針對(duì)模電實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革與探索[6-10]，以提高學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力，滿足社會(huì)對(duì)復(fù)合型新工科人才的需求。

為了加強(qiáng)電子專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的考核，我校將模擬電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)部分獨(dú)立出來，成為一門單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)課程，以提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程應(yīng)用能力。我校傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程采用清華大學(xué)的試驗(yàn)箱，內(nèi)容主要包括單級(jí)放大電路、兩級(jí)放大電路、負(fù)反饋放大電路、射極跟隨器、差動(dòng)放大電路、比例求和運(yùn)算電路、積分與微分電路、波形發(fā)生電路、有源濾波器、電壓比較器、波形變換電路、振蕩電路以及功率放大電路等，多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。課程采用學(xué)生課前預(yù)習(xí)，撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告，然后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生預(yù)習(xí)效果比較差，做實(shí)驗(yàn)時(shí)只是機(jī)械地跟著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班的操作，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣比較低，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，導(dǎo)致電子專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力普遍比較差，參加學(xué)科競賽的意愿也非常低，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。在此背景下，我校開設(shè)模擬電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程，通過讓學(xué)生參與音響放大器設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目，體驗(yàn)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全流程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和積極性，鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提升分析問題、解決問題的能力以及工程實(shí)踐能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)，同時(shí)也為學(xué)生參加學(xué)科競賽以及今后的就業(yè)提供專業(yè)技能。

1 實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容

1.1 課程內(nèi)容與任務(wù)

要求學(xué)生三人一組，根據(jù)所學(xué)模電知識(shí)，采用集成運(yùn)放和分立元件設(shè)計(jì)并制作一個(gè)音響放大器，主要技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩個(gè)層次：基礎(chǔ)層和提高層。基礎(chǔ)層要求：根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)各級(jí)電路結(jié)構(gòu)，通過分析計(jì)算確定元器件參數(shù)，利用Multisim繪制電路原理圖并進(jìn)行仿真；設(shè)計(jì)PCB板，完成焊接、系統(tǒng)的調(diào)試與性能參數(shù)的測試，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。提高層要求：設(shè)計(jì)并制作12 V電源為音響放大器供電，自己制作PCB板。

1.2 課程實(shí)施模式

音響放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)際生活緊密關(guān)聯(lián)，學(xué)生完成項(xiàng)目后可以體驗(yàn)音頻放大的實(shí)際效果，容易獲得成就感，同時(shí)又是模電知識(shí)的一個(gè)綜合應(yīng)用，需要運(yùn)用音頻信號(hào)的采集、信號(hào)放大與濾波、功率放大、工程計(jì)算、Multisim軟件使用、電路調(diào)試和測試等相關(guān)知識(shí)與技術(shù)方法，可以提高學(xué)生的電子設(shè)計(jì)綜合技能。課程實(shí)施模式如圖1所示，經(jīng)歷任務(wù)講解、組隊(duì)分工、資料查閱、方案論證、參數(shù)計(jì)算、仿真優(yōu)化、PCB設(shè)計(jì)、PCB制板（自己加工或者由代工廠加工）、組裝焊接、測試調(diào)試、設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯總結(jié)等環(huán)節(jié)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，應(yīng)在以下幾方面加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)：

1）學(xué)習(xí)了解音頻放大器系統(tǒng)的組成：信號(hào)前置放大器、主控前置放大器和功率放大器，每級(jí)放大器的功能和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，放大器之間的級(jí)間匹配。

2）明確音頻信號(hào)的頻率范圍與特點(diǎn)；對(duì)于不同的麥克（MIC），其信號(hào)幅度、線性度、輸出阻抗等存在較大差異，一方面要選擇合適的麥克，另一方面應(yīng)根據(jù)所選麥克采用設(shè)計(jì)信號(hào)前置放大器的輸入阻抗、增益等參數(shù)。

3）集成運(yùn)放是該實(shí)驗(yàn)的核心元件，結(jié)合實(shí)例講解集成運(yùn)放的應(yīng)用及注意事項(xiàng)，使學(xué)生對(duì)輸入阻抗、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓、增益帶寬、噪聲等指標(biāo)有更深刻的理解，從而知道如何去設(shè)計(jì)平衡電阻、補(bǔ)償失調(diào)電壓，避免自激振蕩。

4）指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)性能指標(biāo)，選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，分析電路的工作原理與設(shè)計(jì)方法，計(jì)算電路中的元器件參數(shù)。

5）指導(dǎo)學(xué)生使用Multisim軟件進(jìn)行電路的仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果適當(dāng)改進(jìn)電路使其滿足性能指標(biāo)；仿真時(shí)先設(shè)計(jì)每個(gè)子模塊電路，保證各子模塊工作正常后再進(jìn)行聯(lián)合仿真，同時(shí)要注意各指標(biāo)應(yīng)留有足夠的裕量。

6）選用元器件時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)查找元器件的Datasheet，了解其性能及典型應(yīng)用電路，進(jìn)而結(jié)合仿真結(jié)果選擇合適的元器件；在滿足設(shè)計(jì)的條件下，盡可能選擇通用元器件、減少元器件的種類及規(guī)格。

7）指導(dǎo)學(xué)生采用立創(chuàng)EDA進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，提醒學(xué)生布局的重要性，結(jié)合實(shí)例講解如何布局布線。

8）調(diào)試過程中，仔細(xì)檢查線路無誤后，要求學(xué)生先調(diào)試每個(gè)子模塊電路，測試直流工作點(diǎn)是否正常，然后進(jìn)行其他性能指標(biāo)的測試，根據(jù)測試結(jié)果分析是否滿足設(shè)計(jì)要求；所有子模塊電路都測試完并滿足要求后，逐級(jí)級(jí)聯(lián)各子模塊電路進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合測試；指導(dǎo)學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫規(guī)范的設(shè)計(jì)報(bào)告。

9）實(shí)驗(yàn)完成后，組織學(xué)生答辯，分享設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及解決方法，電路設(shè)計(jì)方法和調(diào)試技巧，通過交流討論拓展學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，提高設(shè)計(jì)能力。

2 音響放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)中的音響放大器主要由信號(hào)前置放大、主控前置放大器和功率放大器組成，系統(tǒng)方案如圖2所示。信號(hào)前置放大器包括均衡放大器和話筒放大器；主控前置放大器包括平衡調(diào)節(jié)電路、音量調(diào)節(jié)電路和音調(diào)控制放大器。

2.1 信號(hào)前置放大器電路設(shè)計(jì)方案

信號(hào)前置放大器包括均衡放大器和話筒放大器。均衡放大器主要是對(duì)音源輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，提高輸入阻抗并減少對(duì)音源的干擾是設(shè)計(jì)要點(diǎn)，圖3是一個(gè)由運(yùn)放構(gòu)成的均衡放大器參考電路。

話筒放大器主要是對(duì)話筒（麥克）輸出過來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，不同的麥克輸出信號(hào)幅度和輸出阻抗不盡相同，因此為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，要求話筒放大器的輸入阻抗和麥克的輸出阻抗阻抗匹配，一種話筒放大器參考電路如圖4所示。

2.2 平衡調(diào)節(jié)與音量調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)方案

混合平衡與音量調(diào)節(jié)電路主要有兩個(gè)功能，一是用來平衡音源輸出信號(hào)和麥克輸出信號(hào)，二是用來調(diào)節(jié)音響的音量大小，圖5為一種可能實(shí)現(xiàn)的參考電路。

2.3 音調(diào)控制放大器電路設(shè)計(jì)方案

音調(diào)控制放大器主要由兩部分組成，一部分為音調(diào)調(diào)節(jié)電路，主要對(duì)低音、中音和高音進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)化音質(zhì)；另一部分為帶寬控制電路，控制放大器的帶寬，使帶寬符合設(shè)計(jì)要求。音調(diào)控制放大器是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，可結(jié)合實(shí)例向?qū)W生講解電路工作原理、設(shè)計(jì)方法、元器件參數(shù)計(jì)算以及電路調(diào)試技巧等。圖6和圖7分別為音調(diào)調(diào)節(jié)電路和帶寬控制電路的參考電路。

2.4 功率放大器電路設(shè)計(jì)方案

功率放大器是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)，建議學(xué)生采用集成功率放大器，以減小設(shè)計(jì)難度，設(shè)計(jì)時(shí)注意濾波以及與揚(yáng)聲器之間的阻抗匹配，一種功率放大器參考電路如圖8所示。

2.5 PCB設(shè)計(jì)與制作

完成電路的仿真優(yōu)化后，采用立創(chuàng)EDA進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)，如圖9所示。對(duì)于學(xué)有余力、有研究能力和興趣的同學(xué)，可以自己在實(shí)驗(yàn)室制作PCB板。

2.6 焊接調(diào)試

PCB制作完成后，購買元器件進(jìn)行焊接調(diào)試，制板和焊接過程如圖10所示，焊接完的實(shí)物如圖11所示。完成音響放大器的功能測試后，進(jìn)行詳細(xì)的指標(biāo)測試。

2.6.1 輸入阻抗測試

輸入阻抗的測試方案如圖12所示，由圖可知：

測試得到Us = 1 120 mV，Ui = 880 mV，由式（1）可以計(jì)算出輸入電阻Ri約為579 kΩ，符合設(shè)計(jì)要求。

2.6.2 整機(jī)效率測試

整機(jī)效率的測試方案如圖13所示，音響放大器工作在額定輸出功率為2 W時(shí)，測出電源VCC上的電流I為0.25 A，輸出電壓的峰峰值UL為11.34 V，則可以計(jì)算出整機(jī)效率為：

2.6.3 話筒靈敏度測試

話筒靈敏度的測試方案如圖14所示，逐漸增大輸入信號(hào)，當(dāng)輸出功率達(dá)到額定輸出功率時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的話筒輸入電壓即為話筒靈敏度，測試得到話筒靈敏度為1 mV。

2.6.4 帶寬測試

帶寬測試的方案如圖15所示，采用點(diǎn)頻法測試，即輸入信號(hào)幅值不變，逐漸改變輸入信號(hào)頻率，測得對(duì)應(yīng)的輸出電壓幅值，得到的幅頻特性曲線如圖16所示。

3 教學(xué)效果分析

模擬電子技術(shù)是電子專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，運(yùn)放的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)更是重中之重。在音響放大器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，信號(hào)的濾波與放大都需要運(yùn)放，有助于學(xué)生理解運(yùn)放的工作原理和使用，了解仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果之間的差異，鍛煉了學(xué)生將模電的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際電子工程項(xiàng)目的能力；同時(shí)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)分析能力、Multisim和立創(chuàng)EDA軟件的使用熟練度、焊接調(diào)試能力得到了提高，此外學(xué)生撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯PPT的能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也都得到了訓(xùn)練。

完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，學(xué)生的綜合能力和自信心得到了加強(qiáng)，參與學(xué)科競賽的積極性明顯提高，近兩年報(bào)名參加電子設(shè)計(jì)競賽、智能汽車競賽、工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽、集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等學(xué)科競賽的人數(shù)大大增加，累計(jì)獲得國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)2項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)24項(xiàng)。

4 結(jié)?; 論

模擬電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的聯(lián)系。在課程實(shí)施過程中，學(xué)生掌握了電子電路的理論分析計(jì)算，能夠熟練使用Multisim進(jìn)行仿真優(yōu)化，熟悉了PCB的布局布線規(guī)則，以及使用立創(chuàng)EDA進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，焊接測試過程中掌握了常見電子測試儀器的使用和測試方法，理解了理論電路與實(shí)際電路的差異。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生理論知識(shí)得到鞏固，綜合實(shí)踐能力得到提高，參與學(xué)科競賽的積極性和參賽水平明顯提高，達(dá)到了以教促賽、以賽促教和教賽互補(bǔ)的效果。

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