模拟电子技术实验平台研究与设计

于 蕾，谢 红，朱海峰

（哈尔滨工程大学 电工电子实验教学中心，黑龙江 哈尔滨 150001）

模拟电子技术实验平台研究与设计

于 蕾，谢 红，朱海峰

（哈尔滨工程大学 电工电子实验教学中心，黑龙江 哈尔滨 150001）

为提高大学生的动手能力和创新能力，结合自主实验模式，设计开发了模拟电子技术实验平台。该文介绍了目前全国各大高校相关课程所使用的实验平台，分析了各类平台的优缺点，阐述了电子技术实验平台的设计理念和功能实现。该平台可完成一系列实验设计，实验教学的应用结果表明，实验平台的教学效果良好。

模拟电子技术实验；实验平台；自主实验；动手能力

“模拟电子技术”课程是电气类、自控类和电子类等专业学生必修的一门重要的专业基础课，是所有相关后续专业课程的基础。经过电路基础实验的学习，学生已具有了电路方面的基础知识，而实践性很强的模电实验的开设，要求学生进一步熟悉并逐渐开始用所学的知识独立分析、设计电路，因而模电实验对巩固学生所学知识、提高学生观察和分析问题的能力、培养学生动手解决实际问题起着重要作用［1］。

为了适应国家对创新型人才培养的要求，结合我校国家级电工电子实验教学示范中心建设，模拟电子技术实验课程组开展了基础实验教学的开放自主实验教学模式探索。针对模拟电子技术开放自主实验课程的教学要求和培养目标，结合本校实验教学课程设置的实际情况，研制开发了模拟电子技术实验电路板（以下简称实验板）。该实验板既是模拟电子技术实验教学的平台，又可作为综合型实验的教学平台。

1 常见实验平台介绍

在开发实验板之前，实验课程组对国内各大工科高校的相关课程进行了调查总结，他山之石可以攻玉，以便我们更有效地取长补短，吸取其他院校的经验。这里需要说明的是，由于水平有限，而且各个高校的实验教学理念乃至同一高校内各个系的实验课程设置都存在差异，所以没有办法把所有高校的先进教学方法和教学平台都总结全。

1.1 模拟电子技术常规实验内容

模拟电子技术实验内容，一般可分为基础型、设计型和研究型实验3个层次。大部分院校都分别设置了模拟技术基础实验课程和课程设计。基本的电路模块如单级放大电路、运算放大器应用等实验在基础实验部分完成。在课程设计中完成难度相对较大的设计研究型实验，这种设计研究型实验内容丰富，与各高校的学科特点紧密相关，难以统一归类，因此本文只对基础实验部分做一总结。模拟电子技术基本实验内容有以下9个［2］：1）常用电子仪器使用练习；2）晶体管共射极单管放大器；3）场效应管放大器；4）射极跟随器；5）负反馈放大器；6）差动放大器；7）集成运算放大器的基本应用；8）低频功率放大器；9）集成稳压器的使用。

其中，集成运算放大器的基本应用实验又可以细分为比例运算、积分微分、有源滤波、波形产生和电压比较器等。

1.2 各种实验教学平台

各院校采用了不同的硬件实验平台以完成上述实验内容。现将这些硬件实验平台的情况归纳总结如下。

从实验平台的来源分类，大体可以分成公司单独开发实验箱或实验模块、高校自研以及高校和公司结合具体情况联合开发3大类。

由公司开发的模拟电子技术实验箱比较常见的有天煌教仪、启东、唐都等。这些实验箱大多根据模电实验的基本模块设计，模块种类比较多，实验箱本身性能较好，样式精美。美国国家仪器公司NI（National Instruments）的NI ELVIS实验教学平台，不仅可以在平台上完成硬件电路实验，配合NI公司的硬件数据采集卡、NI Multisim及NI Lab-VIEW软件，可以进行更高端的网络化科研和教学项目开发。缺点是价格比较昂贵，除了ELVIS实验教学平台本身，还需要购买配套的软硬件。感兴趣的高校可以与NI公司洽谈高校计划以获得院校优惠［3］。

高校自己研发的实验箱往往根据各高校实际的设课情况和实验内容设计开发，适合本校实际情况，更加经济。对于教师来说，也可以提高自己科研水平。有些高校还扩展了实验平台的适用性，将几门课程的内容结合在一起开发实验箱，例如将数电实验和模电实验组合在一起做成一个实验箱。但有一定局限，往往不能通用，而且工艺也粗糙一些。

有些高校则和公司联合，结合本校实际情况，与公司合作开发实验箱，既能够适合本校使用，同时制作工艺也比较精良，使用便利。

从实验平台的制作方式来分，大体可以分为以下3类。

1.2.1 实验模块式

模块式实验平台将模拟电子技术按照前面所讲的实验内容分成若干模块，如三极管放大模块、集成功放应用模块、运放比例应用模块等。在实验模块的各个连接点上留好测试端子，便于测量各种技术指标。有的实验箱内还集成了稳压电源、信号发生器或者其他的仪器模块。这种实验平台简单清晰，但是器件固定，隐藏在实验板之下，学生对实际器件和电路并没有理解，只能按部就班地测量固定测试端子上的电压，没有发挥的余地，只适合验证性实验［4］。

有的实验箱进行了改进，将实际的元器件焊接在实验板正面；同时，在实验板上设计了短路模块或者连接端子，提供2～3个元器件供选择。解决了之前固定实验模块的部分问题，学生可以见到真实的元器件，也可以对实验电路做适当修改，但是改动范围较小。

1.2.2 插接式

插接式的实验平台更进一步解决了部分问题。实验箱主体是核心器件三极管和运放等，四周按照元件种类排列，将各个元器件管脚留出端子。学生实验时用连接线连接各元件对应的端子，构建实验电路，测试相应指标。这种实验平台能够实际动手搭建电路，让学生理解电路结构，提高动手能力。缺点是元器件的种类仍然不够丰富，而且这种连接端子长时间使用之后，容易松动，接触不良，实验往往不能成功。

1.2.3 面包板式

从上述两种实验箱可以看出，这种固定元件的实验箱，往往受到实验平台的体积限制，只能提供有限数量的元器件，不适合研究型和创新性的实验教学。

面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，适用于元器件较少，对信号干扰要求较低，电路流通电流不大，临时实验用的电路，成本较低。所以非常适合电子电路的组装、调试和训练［5－7］。因此，一些高校采用了面包板作为电路搭建的平台，如图1所示。

2 自主开发实验平台

2.1 教学模式

我校模拟电子技术实验和数字电子技术实验合并成一门电子技术基础实验。这里只介绍模拟电子技术实验部分。

模电实验部分共16学时，设置4次实验，采用循序渐进原则，采用实验项目分级化的模式。“实验分级化”是每个实验项目至少设A、B、C三级，难度系数分别为0.8、0.9、1.0，学生可根据自身情况自选实验等级，可以完成多个实验选题。实验内容主要包括低频放大电路、功率放大电路和集成运放应用实验等。

图1 面包板式实验平台

2.2 硬件实验平台发展过程

模拟电子技术实验的建设一直依托于我校国家级电工电子实验教学中心，也使用过多种硬件实验平台。在2003年以前，使用的是从仪器仪表厂家购买的固定模块实验箱，因为约束较多，从2003年开始，直接在面包板上搭建电路。这样实验内容可以更加丰富饱满，研究型实验内容也可开展，学生对于电路结构理解更为明确，出现故障能够勤动脑解决故障，能够提高学生动手能力。但是运行多年，面包板经常发生接触不良现象；如果电路稍复杂些，就容易连错。在需要通过很大电流或微弱信号处理的场合，面包板的分布参数影响很大。而且，模电实验需要外接多台仪器仪表，面包板上无法固定，接仪器时还经常把安装好的电路弄散［9］。

2012年和2013年，模电实验又进行了小规模的试点，在万用板上进行焊接、搭建电路和测试。这种模式是学生在实际工作中真正能够用到的。例如，电子大赛中的一些简单模块就会焊接在万用板上，既锻炼了学生的动手能力，又有较广的适用范围。

试点中也发现了很多问题。模拟电子技术实验是学生遇到的第二门电类专业课程，之前的电路实验相对比较简单，都是在实验箱上进行测试。到了模电实验，完全在万用板上焊接就会出现以下3个方面问题。

1）焊接技术不过关，经常出现短路或断路的问题。

2）电路结构理解不充分。理论课的电路形式与实验中元器件的搭建结构无法统一起来，非常容易出现电路结构错误，元件对应错误或者是漏焊元件之类的问题。

3）检查故障、更改电路比较麻烦。当出现电路故障或者测量问题时，由于电路千奇百怪，学生检查故障或者老师辅导都非常费劲，需要花费大量的时间。即使检查出了问题，更改电路也比较麻烦，往往需要重新焊接电路。

因此，经常有学生将实验时间大部分都花在了焊接和检查上，根本无法正常完成实验。

从上面介绍可以看出，在万用板上焊接不适用于模拟电子技术实验的基础实验部分，在综合应用或者研究型创新实验中可以采用。

2.3 设计理念和功能

为了配合自主型实验教学模式，我们在研制实验平台过程中，在充分考虑实验教学具体情况和具体要求的前提下，结合实验教学内容及平台的扩展性、可持续性等诸多因素进行设计。实验平台的设计理念主要体现在以下4个方面［8－10］。

1）与理论课程内容紧密联系。模拟电子技术需要通过实验来进行验证和掌握，一些电学参数和特性，如单管放大电路的静态工作点、频响特性曲线等需要搭建电路后通过仪器设备测量来获得。因此实验平台的设计应与理论课程内容紧密联系，涵盖实验课程规定的全部内容。

2）满足不同层次实验的教学要求，且具有一定的扩展性。研制实验平台时，需要打破传统的电子技术实验以验证型实验为主的教学观念，为学生提供一个进行不同层次实验的公用平台［11－12］。

3）功能模块设计。根据模拟电子技术实验课程内容，将实验教学内容设计成独立的功能模块，比如有分立元件模块、功放模块、运放模块等。

4）提高学生的独立思维能力和动手能力，减少不必要的时间花销。既要学生能够逐步掌握电子焊接技术，又要能够熟练掌握模拟电子技术实验基本测试内容。研制实验平台时，应选用高质量和高可靠性的元器件，以保证实验平台的质量；应考虑安装在实验平台操作面板上的元器件易于拆卸，方便清洁和维修［13－15］。

在电工电子实验中心的支持下，2014年模电实验的硬件教学模块又进行了更新，学生在实验板上直接焊接电路。在综合考虑了实验内容和学生的实际情况后，硬件实验板一共有3类，分别是低频放大器实验板、功率放大器实验板和运算放大器实验板，如图2和图3所示。

在低频放大器实验板上可以完成与晶体管相关的除了差动放大电路的所有实验内容，例如简单共射接法放大电路、工作点稳定电路、共集接法放大电路、两级放大电路、负反馈放大电路等等。功率放大器实验板可以完成LM386的各种实验，例如功率放大、方波发生和低音提升等。运算放大器实验板在设计的时候考虑到通用性的问题，只有8脚和14脚空插座和焊盘，并没有外接其他元件，便于学生在上面焊接各种电路。

在设计实验板时，为了避免过度损耗，实验板的焊盘做得比较结实，便于学生多次使用。

目前模拟电子技术实验课程组生产了100套实验平台，已配置在电子技术实验室，用于电子技术的实验教学。利用该实验平台已经完成的实验项目有：三极管放大电路、负反馈放大电路、功率放大电路、运算放大器基本功能电路、波形产生电路、波形变换电路等等。

图2 低频放大器实验板

图3 运算放大器实验板

3 结束语

结合本系电子电路实验教学的实际情况，研发适用于自主实验的实验平台，既锻炼了学生的实践动手能力，又帮助学生理解理论教学中的各种电路形式和结构。借助该实验平台，不仅可以满足电类专业基础实验的教学任务，同时还可满足综合课程设计实验及研究型实验的要求，有利于促进实验教学的进一步改革，有利于提高实验教学质量和效果，培养创新型人才。

［1］王波，张岩，王美玲，等.“模拟电子技术实验”课程的改革［J］.实验室研究与探索，2013，32（4）：140－143.

［2］刘艳，朱昌平，宋凤琴，等.模拟电子技术实验教学中的学生实践能力培养［J］.实验技术与管理，2010，27（2）：110－112.

［3］梁洪卫，陈雪松，高丙坤，等.next工程教育理念在卓越工程师培养中的应用［J］.实验室研究与探索，2014，33（2）：175－178.

［4］李琰，吴建强，齐凤艳.开放与自主学习模式下的实验教学体系［J］.实验室研究与探索，2012，31（1）：134－137.

［5］刘小艳，金平，张尊侨.EC－Ⅰ电子电路实验平台研制［J］.实验技术与管理，2011，28（6）：61－63.

［6］吴彦文，常志强.模块化综合实验平台设计与研究［J］.实验室研究与探索，2013，32（7）：189－191.

［7］张学军，张瑛.电子电路综合实验系统研制［J］.中国现代教育装备，2004（10）：42－45.

［8］于蕾.模拟电子技术设计与实践教程［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2014.

［9］于蕾，王松武，谢红.模拟电子技术实验的教学改革［J］.实验科学与技术，2011，9（3）：125－127.

［10］王革思，谢红，王松武.电子电路虚拟实验平台的研究与实践［J］.实验科学与技术，2010，8（1）：93－96.

［11］吕小兰，戴延凤，胡满根，等.学分制开放式实验教学模式的探讨［J］.实验室研究与探索，2012，31（8）：121－124.

［12］周静，侯世英，张立群，等.《电工学》开放式自主实验教学探索［J］.实验科学与技术，2007，5（5）：128－130.

［13］杨宏，李国辉.走自制实验设备之路促进实验教学改革［J］.实验技术与管理，2013，30（1）：225－227.

［14］叶轻舟，陈健.模拟电子电路“虚”“实”结合实验平台方案的设计［J］.电子科技，2010，23（1）：104－106.

［15］金波.电工电子基础实验教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2009，28（2）：113－116.

Research and Design of Electronic Technology Experimental Platform

YU Lei，XIE Hong，ZHU Haifeng
（Electrotechnics and Electronics Experiment Teaching Center，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to improve the practical ability and innovation ability of college students，combined with independent experimental mode，an analogue circuit technology experiment platform is designed and developed.This paper introduces the experimental platforms currently used in the related courses of colleges and universities，analyzes the advantages and disadvantages of each platform，and expounds the design concept and function realization of the electronic technology experiment platform.The platform can complete a series of experimental design.The experimental teaching application results show that this platform has good teaching results.

analog circuit experiment，experimental platform，self－experiment，practical ability

TN710

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.020

2015－03－30；修改日期：2015－04－15

2013年哈尔滨工程大学高等学校教育教学改革重点资助项目（JG2013ZD06）；2014年哈尔滨工程大学教育教学改革实验重点资助项目（SYJG2040801）。

于蕾（1977－），女，博士，副教授，主要从事电子技术课程教学和实验建设、管理与规划工作。