“面包板”在模拟电路中的教学实践

李玲 周波 周国军 宋阳

摘要：针对模拟电路教学中存在的课程内容较难、学员主动学习意愿不足、理实脱节严重等问题，结合课堂实施的可操作性，提出在原有理论分析及EWB仿真的基础上，增加“面包板”实物演示环节，将理论学习与工程实际紧密结合。实践效果表明：在教学过程中适时增加实物演示环节，活跃了课堂气氛，调动了学员的学习积极性，培养了学员理实结合的工程素养。

关键词：理论分析;EWB仿真;面包板;实物演示;理实结合

中图分类号：G64 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）14-0199-02

模拟电路属于高等教育工科类专业的重要专业基础课，是一门工程性、实践性很强的学科，课程的学习目的，是为了让学员掌握电子电路中的基本器件、基本电路、以及功能电路，从而获得电子技术方面的基本理论、基本方法，培养学员定性分析、定量估算的工程素养，为后续十几门专业课程的学习奠定基础。

现行教学模式存在的最大问题是理论课和实验课脱节，由于课程安排、实验设备、教员人数等各方面因素的制约，学员往往不能在理论课后及时做相应的实验，因此对理论课内容得不到有效的理解和掌握，从而丧失学习兴趣。为此，笔者所在教学小组在原有软件仿真的基础上，又加入了“面包板”实物演示环节，既可增添课堂的趣味性，又可帮助学员将理论和实践融会贯通，达到学以致用的目的。

1“面包板”简介

“面包板”又名“万用线路板”或“集成电路实验板”，如图1所示，是一种专为电子电路的无焊接实验设计制造的板。板子上有很多小插孔，各种电子元器件可根据需要插入或拔出，免去了焊接，操作简单，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，非常适合电子电路的组装、调试和训练。

2基于“面包板”的教学实践

将“面包板”融人教学实践中，要选取具备可操作性的内容，模拟电路课程的工程性特点使教学中的很多知识点都可以搭建成实际电路完成某些功能，简单的功能电路便可用“面包板”来实现，如“同相输入和反相输入放大电路的其他应用”一节中“求和运算电路”的教学要求如表1所示。

该小节教学目标非常明确，即运用已有知识实现求和运算电路，并且说明其实际应用。为使学员对本小节内容理解透彻，教学设计分为电路实现、理论分析、仿真验证、面包板演示和内容小结五个环节，详细教学过程如下。

2.1电路组成

现在的世界已变成电子的世界，集成运算放大器，简称“运放”，是使用非常广泛的基本电子器件，常用来实现各种功能电路。同相输入和反相输入放大电路，也称为同相比例运算和反相比例运算，如圖2所示，是运放最基本的两种应用，其他由运算放大器所构成的功能电路都是在这两种基本电路的基础上演变过来的。

求和运算电路需实现的是多路输入信号的叠加，以两路信号的求和运算为例，可尝试在两种基本线性运放电路的输入端增加一路输入信号。如在反相比例运算电路的输入端增加一路输入信号vi2由于运放输出信号与同相输入端输入信号相位相同，与反相输入端输入信号相位相反，而反相比例运算电路原有的输入信号vi1通过电阻加在运放的反相输入端，为保证在输出端实现的是vi1。与vi2之和，应将增加的这一路输入信号vi2也通过电阻加在运放的反相输入端，其结构如图3所示。

2.2理论分析

在此电路中，运放的输出端与反相端相连，引入了负反馈，运放工作在线性区，“虚断”和“虚短”都成立。根据基尔霍夫电流定律，对于运算放大器反相输入端的节点N，利用“虚断”可得：

式（4）中的负号表示反相关系，所以此电路输出电压是两输入信号的反相比例求和运算，通过调整R1、R2和R3的电阻值，即可得到想要的求和结果。

此外，由于电路中电阻元件为线性元件，运放也工作在线性区，因此该电路可看作线性电路。又因为电路中有两路输入信号，故还可利用前续课程中学习过的叠加定理分析此电路的输入输出电压关系，可让学员自己分析，培养学员的自主学习能力。

2.3仿真验证

为了验证此电路理论分析结果是否正确，在EWB仿真软件中搭建电路进行验证。设接人电路的两输入信号分别是有效值为1v和2v的正弦交流信号，电阻R1、R2、R3组织分别为1kW、2kW、2kW，根据理论计算，求和结果应该是幅值为5.6V的正弦信号，相位与两输入信号相反。

根据原理电路在EWB中搭建仿真电路，仿真两输入信号和输出信号波形。其中，两输入输入信号波形如图4所示，幅值分别是1.4V和2.8V。

求和仿真结果如图5所示，其波形是幅值为5.6V的反相正弦信号，与理论分析结果一致。

2.4“面包板”演示

该求和运算电路生活上也很常用，比如在合唱比赛中，有主唱和伴唱。如果将主唱的声音信号转化为电信号vi1将伴唱的声音信号转化为电信号vi2那么通过调整R1和R2的电阻值，就可以得到想要的和声信号。

根据以上原理，我们在面包板上搭建实际电路，如图6所示。其中运放采用LM741型通用运算放大器，供电电源为±9V的干电池，输入信号一路为《我和我的祖国》清唱，另一路为伴奏，输出的和声结果送人扬声器播放。

为了区分输入信号和输出信号，演示时先分别单独播放清唱信号和伴奏信号，再同时播放两路信号，这样学员便可深刻体会到求和运算电路的实际应用，达到“学有所用”的教学目标。

2.5内容小结

通过以上分析可明确，在反相比例运算电路的反相输入端通过电阻增加一路输入信号，即可实现两路输入的反相求和运算，并了解其实际应用。经过对此电路的分析，可总结出运放工作在线性区的两种分析方法“虚断”、“虚短”以及“叠加定理”。电路形式是千变万化的，但是万变不离其宗，只要掌握了这两种分析方法，就可以分析所有由运放构成的线性电路。类比此电路也可得出，如果要实现三输入的反相求和运算，再反相比例运算电路的反相输人端再加一路输入信号即可;如果要实现同相求和运算，只需将增加的输入信号加在同相比例运算电路的同相输入端即可，这两种情况均可由学员课下自主分析。

3结束语

笔者在一学期的教学实践过程中发现，将简单、易操作的“面包板”实物演示环节引入到模拟电路课程教学中，花费很少的课堂时间，便可解决现有教学模式中的理实脱节问题，学员可以真切感受到所学内容的实际应用，充分调动了其学习积极性与主动性，培养了学员的实践意识和工程素养，课堂授课效果显著提高。