一個模擬電子技術口袋實驗室的設計與實現

吳曠 田歌

摘要：基于對傳統模擬電子實驗教學過程中的一些弊端進行分析，設計并實現了一種小型化、便攜式的迷你模擬電子實驗教學設備。設備具有基礎的模擬電子實驗功能，可應用于課堂教學中的及時實踐環節，做到模擬電子技術理論學習與實踐操作的無縫結合。經實踐教學表明，該裝置的應用受到學生的積極反饋，明顯提高學生學習興趣與動手實踐能力，得到了良好評價。

關鍵詞：模擬電子;實驗設備;便攜式;微控制器應用;人機交互

中圖分類號：TP34? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0096-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著模擬電子技術教學內涵建設的不斷深入，對學生的理解運用與動手創新能力提出了更高的要求。傳統的教學-實驗互相分離的教學模式越來越受到嚴峻的挑戰[1-2]。為解決傳統實驗室實驗內容單一，實踐理論結合較為滯后的弊端，設計并開發了模擬電子技術口袋實驗室系統，該系統將目前高校中常用的實驗臺，實驗箱中的常用功能進行分離、裁剪、微型化與再集成，實現了將常見的模電實驗裝進口袋，隨帶隨走，隨地進行實驗驗證的口袋實驗室。通過教學實踐表明，能夠在課堂上與理論教學同步實驗的教學方法學習效果較傳統教學有長足的進步，尤其在稍微晦澀難懂的章節，學生能夠通過口袋實驗室及時進行實踐驗證，對于理解相應理論知識有非常明顯的幫助?？诖鼘嶒炇医叹叩倪\用真正體現了“以學生為中心”，學生學習與發展成效驅動的教育理念，可以有效地幫助學生更好地完成個性化、探究性實驗任務。提高了學生主動學習的意識和創新能力，保證了電路實驗課程的教學質量。

2 口袋實驗室開發的必要性

模擬電子技術是高校教學中非常重要的一門基礎課程，是自動化、電氣工程、機械電子、電子信息等弱電相關類專業的基礎專業課，在絕大多數高校教學中，模擬電子技術都是一門專業必修課程。而模擬電子技術的課程簡單總結下又具有以下幾個顯著特點：抽象、多變和復雜。傳統教學方式中，往往是教師課堂講解理論知識，課后學生集中實驗驗證[2]。

這種教學與實踐在時間與空間上的相互分離往往形成學生在理論學習過程中由于未見實物器件與電路，只見紙面公式推導與原理分析造成的模電理論知識不牢固，不透徹;在實驗過程中由于理論學習不牢固、不透徹造成實驗電路搭建易出錯，實驗現象難以理解到位的惡性循環，最終的結果是學生普遍反映模擬電子技術難以學習，聽不懂、做不會，更進一步甚至喪失學習興趣[3-4]。

通過對以上教學實踐中的問題進行分析，如何將傳統實驗室搬進理論教學課堂成了關鍵解決辦法，口袋實驗室的設計由此而來。其與傳統模電實驗室相比具有以下兩個特點：

（1）小巧。傳統實驗室的操作對象往往是實驗臺或實驗箱，固定安裝在實驗室難以移動[5]?？诖鼘嶒炇业捏w積要遠小于傳統的實驗臺或實驗箱，大小與家用路由器相仿，具有非常優秀的便攜性。

（2）功能全面。傳統的實驗臺或實驗箱為照顧多門課程的實驗設計，往往具有非常全面的預建實驗電路，配套豐富的電源系統與相應的測量儀器?？诖鼘嶒炇业墓δ軐槟M電子技術課程設計，同時內建基本電源系統與測量工具，實現模電學習過程中與專業實驗室的同等效果。

2 口袋實驗室的硬件組成與設計

口袋實驗室的組成主要有兩個大的部分，其一是基礎實驗系統，該部分實現了模擬電子技術實驗中所需要的電源、信號源、基本測量工具與實驗結果的顯示界面。其二是實驗模塊電路，包含了模擬電子技術教學過程中可以輔助理解理論知識的常用基礎實驗電路。

2.1 基礎實驗系統

基礎實驗系統是口袋實驗室的核心部件，主要實現的功能有以下幾點：

（1）電源處理與轉換。將輸入的4.5V～5.5V電壓轉換為3.3V，5V與-5V電壓，分別給核心處理器與實驗模塊電路中放大電路進行供電，具體電路如圖1所示。

（2）信號的發生與測量。模擬電子技術中的實驗總是需要一個穩定的正弦波作為信號源輸入到放大電路中，信號發生的實現由核心處理器內置DAC來完成，根據處理器數據手冊，該DAC分辨率為12bit，典型轉換時間為2μs，在正弦波形基本不失真的狀態下取一個周期50個采樣點進行直線擬合，輸出頻率可達10kHz，該頻率下的信號對大多數的模擬電子技術實驗來講是足夠用的。為彌補處理器信號源對外電流輸出的能力較弱的劣勢，在該引腳后加入一路電壓跟隨器進行帶負載能力的增強，具體電路見圖2所示。

由于放大電路的供電由±5V電源提供，考慮軌對軌的運算放大器運用，實驗模塊處理后的放大后信號峰峰值理論最高可達10V。處理器內置ADC僅可采樣0～3.3V電壓，為滿足信號測量要求，放大電路的輸出信號由兩路運放將峰峰值為10V的電壓變換到0～3V電壓，具體處理電路如圖3所示。處理電路整體看分為兩級處理，第一級電路將信號按比例衰減到-1.5V～+1.5V，第二級電路將衰減后的信號整體抬升1.65V，達到輸出電壓信號處于0～3.3V內的目的。電路運行結果如圖4所示。

（3）人機交互界面。實驗室中最重要的也是最常用的儀器就是示波器與信號發生器，這兩種儀器最大的作用就是信號的可視化設定與檢測?？诖鼘嶒炇业某踔员闶潜銛y化的模擬信號處理電路驗證與檢測設備，可視化的人交互界面是必不可少的?？诖鼘嶒炇业娜私换ハ到y主要采用組態屏實現，利用組態技術，以組件拖放的方式可以快速地完成人機交互界面的設計工作。市面上有很豐富的組態屏可供選擇，口袋實驗室選取的是廣州大彩公司生產的7寸組態屏幕，結合基礎實驗系統板可以方便地收納進背包，同時7寸的彩色觸摸屏幕也有足夠的空間布置相應的操作按鈕與儀器界面。其中集成運算放大器應用的信號比例加法運算的操作界面如圖5所示，其中輸入信號1比例系數為1。輸入信號2比例系數為2。其余實驗的界面采用類似風格，根據實驗需要，加入輸入波形，輸出波形的顯示等，這里不再一一列出。

2.2? 實驗模塊電路

實驗模塊電路是口袋實驗室的實現主體，是模擬電子技術教學中的實驗功能電路的主要載體。按照不同的模擬電子實驗要求，實驗模塊電路有基本放大電路模塊，射極跟隨器模塊，多級放大電路模塊，負反饋放大器模塊，集成運算放大器模塊，振蕩電路模塊等不同的實驗電路板。

（1）基本放大電路模塊?；痉糯箅娐肥悄M電子實驗的基礎實驗，主要探究三極管的放大原理以及三極管靜態特性對動態參數的影響。該電路模塊采用S8050三極管作核心放大晶體管，該型晶體管也是多數電子實驗臺采用的晶體管之一，模塊電路圖如圖6所示。在該實驗中，不同的實驗目標與實驗參數設定通過短接不同位置的跳線端子來實現。具體方法是，短接JP1中1-2端子實現基本共射放大電路的實驗，短接JP1中5-6端子實現射極跟隨器的實驗。

（2）集成運放實驗模塊。該模塊可實現信號的比例、加法與減法運算，涵蓋了常用模擬電子課程在集成運放運算電路中的實驗需求。其中同相輸入的集成運放實驗電路圖如圖7所示。集成運放采用TLV272IDGKR型號，該運放是德州儀器公司出產的高精度運放之一，具有良好的運算速度與運算精度，電路中配合使用的電阻均為0.1%精度的高精密電阻，通過配置JP2與JP3不同位置的導通端子，可實現單一信號的同相比例運算，兩信號的同相輸入求和。通過合理的PCB布局布線，電路具有良好的抗干擾能力，實驗中輸入信號的運算效果接近理想狀態下的仿真結果，對學生理解運算電路的工作原理起到了良好的輔助作用。

（3）統一輸入輸出接口。實驗模塊電路具有統一的信號輸入輸出接口，按照接口規范，同學們也可在后續課程學習后自行設計與驗證不同的模擬電子電路的工作效果。目前已經有同學設計出一些波形變換電路模塊并通過了實驗驗證，達到了良好的效果。其中一種電路原理圖及運行效果如圖8所示。

3 口袋實驗室軟件系統設計

口袋實驗室的實驗模塊電路是無須編程的純硬件電路，而口袋實驗室中信號的發生與檢測功能是運行在基礎實驗系統中的程序支撐的。此部分的程序設計也是口袋實驗室系統的核心之一。

3.1 信號發生程序

信號的發生主要由主控芯片的內置DAC完成，信號發生程序模塊內置正弦數據表與三角波形數據表，由HMI屏幕輸入信號的頻率、幅值參數，主芯片通過串口接收到相應指令后按照設定參數完成DAC配置，查表輸出相應數值，實現模擬波形的輸出。具體流程圖如圖9所示。

3.2信號檢測程序

信號檢測程序是口袋實驗室的另一核心功能，該功能由主控芯片的內置12bit ADC完成模擬信號的采樣，采樣后的數字量會經過簡單的數字濾波處理后以固定周期、固定格式報文將波形數據輸出到HMI組態屏幕，觸控屏內運行波形解析腳本，還原采樣的模擬波形至屏幕顯示。信號檢測程序的具體流程圖如圖10所示。

4 結論

口袋實驗室是一款具備專業電子實驗室基本功能的便攜化的課堂教學實驗設備，該設備將專業電子實驗室的電源處理、信號發生與信號檢測還原等功能在性能參數上進行弱化，在滿足了教學需求的前提下極大地減小了模擬電子實驗的場地要求，學生與教師可將傳統的模電實驗隨時搬進課堂教學環節中，“學”“做”相輔，極大地減少了傳統模擬電子課程理論學習與實驗驗證之間的時間差，使學生能夠真正地在第一時間對所學理論知識進行實驗驗證，及時辨析理論與實踐之間的區別與聯系。開放的信號接口也能夠激發學生自制實驗電路的熱情，達到良好的以興趣促進學習的目的。

參考文獻：

[1] 周毅，薛迪杰.應用型人才培養模式下《模擬電子技術》實驗教學改革與實踐[J].電腦知識與技術，2021，17（16）：172-174.

[2] 束文強.新工科背景下模擬電子技術實驗教學改革[J].科技視界，2022（3）：118-119.

[3] 褚剛秀，李科.模擬電子技術實驗教學改革與研究[J].電腦知識與技術，2021，17（26）：206-208.

[4] 杜世勤.“模擬電子技術實驗”課程教學的三種輔助工具[J].科技與創新，2021（23）：140-141.

[5] 陳安，梁遠博，胡兆勇，等.模塊化電工電子工程應用實驗平臺的設計和應用[J].中國現代教育裝備，2021（1）：30-32，39.

【通聯編輯：聞翔軍】