器件性能挖掘下的模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
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摘要：實(shí)驗(yàn)課程是引導(dǎo)學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)踐接軌的重要課程，因此課程教學(xué)方法思路要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，分析電路參數(shù)并優(yōu)化電路，與實(shí)際電路的設(shè)計(jì)思路一致，而不是電路的簡(jiǎn)單驗(yàn)證。本文提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路是培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)需求和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器件基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化。擺脫教師給出完整實(shí)驗(yàn)電路，學(xué)生只是單純驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的傳統(tǒng)教學(xué)模式。本文結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，說(shuō)明模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路。該方法在實(shí)際應(yīng)用中可以有效引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于模擬電路設(shè)計(jì)的思維模式，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生興趣。
關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)課；模擬電路實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；器件性能挖掘
1模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及分析
模擬電路課是電子信息大類(lèi)以及相關(guān)專業(yè)的非常重要的一門(mén)必修課，具有很強(qiáng)的理論性和重要性[1]。模擬電路實(shí)驗(yàn)課程是理論向工程實(shí)踐過(guò)渡的重要實(shí)踐類(lèi)課程，目的是提高學(xué)生的動(dòng)手能力，工程思維和工程實(shí)踐能力，為學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽以及具備工程實(shí)踐的素養(yǎng)打下基礎(chǔ)[2]。模擬電路實(shí)驗(yàn)課程要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，和電路設(shè)計(jì)的工程思維模式和方法[3]。目前高校開(kāi)設(shè)的模擬電路類(lèi)的實(shí)驗(yàn)課程普遍還是以驗(yàn)證性為主，即學(xué)生按照給出的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路搭建，測(cè)試復(fù)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和指標(biāo)。驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)仍然采用理論課的思路，這種模式與實(shí)際電路設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)。工程實(shí)踐中的電路設(shè)計(jì)方式是先提出應(yīng)用需求，再根據(jù)需求設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和采用的器件以及參數(shù)，最終經(jīng)過(guò)測(cè)試調(diào)試使得電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)生只是照葫蘆畫(huà)瓢，主動(dòng)性不強(qiáng)，動(dòng)手能力以及分析解決問(wèn)題的能力沒(méi)有得到鍛煉[4]，學(xué)生的思維方式?jīng)]有擺脫理論課的固有模式，錯(cuò)誤地認(rèn)為實(shí)際的工程實(shí)踐可以沿用理論課方式處理問(wèn)題。對(duì)模擬電路實(shí)驗(yàn)課程的改革一直是高?；A(chǔ)課程建設(shè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，從教學(xué)理念、教學(xué)方式、教學(xué)方法等多個(gè)方面進(jìn)行了研究，目的都是提高學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問(wèn)題能力，增加工程實(shí)踐素養(yǎng)[5]。但是模擬電路不是命題作文，而是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)符合要求的電路，培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)和問(wèn)題分析能力。本文針對(duì)目前模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出教學(xué)改革思路結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例來(lái)進(jìn)一步闡釋本文觀點(diǎn)。
2以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法
本文從模擬電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生情況為出發(fā)點(diǎn)，提出了以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的模擬電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)教學(xué)思路和方法，即設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)題目和實(shí)驗(yàn)電路性能指標(biāo)要求，限定使用的關(guān)鍵元器件類(lèi)型，具體實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)由學(xué)生設(shè)計(jì)完成。其中性能指標(biāo)相對(duì)與所使用的元器件來(lái)說(shuō)，要求比較嚴(yán)格，這樣就埋下很多問(wèn)題點(diǎn)。需要學(xué)生在使用指定器件情況下，結(jié)合指標(biāo)要求，通過(guò)電路結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，避開(kāi)問(wèn)題點(diǎn)。并且重心在關(guān)鍵元器件性能的分析和了解的基礎(chǔ)上，充分挖掘元器件的性能，使得整體電路性能指標(biāo)達(dá)到要求。
3實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例
下面以高精度電流檢測(cè)電路為例，闡述以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。
3.1實(shí)驗(yàn)電路
制作一個(gè)電流檢測(cè)器，其基本框架見(jiàn)圖1?？烧{(diào)電壓源產(chǎn)生電壓V，其通過(guò)負(fù)載RL和采樣電阻Rs的串聯(lián)產(chǎn)生要檢測(cè)的電流I1，采樣電阻可以放在接地端構(gòu)成低邊電流采樣，如圖1中的（1）結(jié)構(gòu)；也可以在電壓源V端構(gòu)成高邊電流采樣，如圖中（2）結(jié)構(gòu)。要求采樣電阻值要小于負(fù)載電阻的1/10。采樣電阻Rs高電位一端為VP，高電位一端為VN。電流檢測(cè)電路一個(gè)典型的差分放大器構(gòu)成，其中R2A=R2B，R3A=R3B，把VP和VN電壓相減，得到與電流I1成比例的輸出電壓Vo，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流I1的檢測(cè)。
3.2器件性能挖掘?qū)?/p>
實(shí)驗(yàn)電路已經(jīng)規(guī)定了基本框架，下一步要給出實(shí)驗(yàn)條件和目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生專注于對(duì)器件性能的挖掘。首先實(shí)驗(yàn)限定的條件為：運(yùn)放的型號(hào)限定LM358，其供電電壓5V單電源，可編程電壓源輸出V范圍0~30V。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為：檢測(cè)電流I1的范圍為最大值達(dá)到100mA。電流檢測(cè)精度要保證小于±10mA的基礎(chǔ)上繼續(xù)提高電流檢測(cè)精度并且擴(kuò)展電流檢測(cè)的范圍。運(yùn)放型號(hào)和具體實(shí)驗(yàn)條件的限定，不僅不會(huì)降低學(xué)生主觀能動(dòng)性，而且會(huì)引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題的方向。這樣的方式圖1電流檢測(cè)器電路與實(shí)際做工程問(wèn)題的思路是一致的。實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容相當(dāng)于做一個(gè)工程產(chǎn)品，那么實(shí)驗(yàn)條件就是工程上的具體需求，做的電路不是要高性能的芯片，而是把芯片的性能發(fā)揮到自己的極致，達(dá)到成本與性能的最優(yōu)，這才是工程設(shè)計(jì)的思路。要在限定條件下，盡量發(fā)揮出電路性能。不能讓學(xué)生完全自主選擇芯片來(lái)解決問(wèn)題，這樣會(huì)造成思維惰性，遇到問(wèn)題首先想到的就是換用高性能的元器件的簡(jiǎn)單堆砌來(lái)提升電路性能，完全忽略電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)。一個(gè)好的電路是一個(gè)有機(jī)整體，每一部分都是相互配合。因此，限定關(guān)鍵元器件和實(shí)驗(yàn)條件，引導(dǎo)學(xué)生研究芯片的性能參數(shù)的前提下，進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化，挖掘芯片性能是本文認(rèn)為的正確的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)案例來(lái)說(shuō)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)以下幾個(gè)問(wèn)題的確定都需要相應(yīng)的運(yùn)放的性能作為依據(jù)，也就是要充分了解器件性能，挖掘器件性能。
3.2.1確定負(fù)載電阻和采樣電阻取值，提高電流采樣精度的參數(shù)優(yōu)化電源V的最高電壓為30V，可以確定負(fù)載電阻RL與采樣電阻RS串聯(lián)總阻值要小于300歐姆才能保證電流能夠達(dá)到100mA。其次確定負(fù)載電阻和采樣電阻的比例。采樣電阻的阻值增大可以提高采樣電路輸入電壓，也能夠提高采樣精度，但是要考慮采樣電阻功耗和負(fù)載電阻比例，采樣電阻值要盡可能的小，其最小值依據(jù)LM358運(yùn)放的失調(diào)電壓和最小的采樣電流確定。LM358失調(diào)電壓不超過(guò)4mV。采樣電流的最小值為10mA，那么電路要能正常工作，采樣電阻兩端的電壓差Vi至少需要大于兩倍的運(yùn)放失調(diào)電壓，取為10mV，才能夠?qū)Σ罘中盘?hào)正常放大。因此采樣電阻值最小值可以取為1歐姆，那么負(fù)載電阻RL取值要小于49歐姆。同時(shí)，提高電流采樣精度只可以通過(guò)增大采樣電阻Rs阻值實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)相應(yīng)的擴(kuò)展電流檢測(cè)的下限。把采樣電阻Rs阻值提高到10歐姆，那么根據(jù)LM358失調(diào)電壓計(jì)算，檢測(cè)電流最小值可以達(dá)到1mA，同時(shí)提高了電流采樣精度為正負(fù)1mA。
3.2.2根據(jù)運(yùn)放輸入共模范圍確定采用的電流檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)采用高邊電流檢測(cè)低邊電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)，取決于使用運(yùn)放的共模輸入范圍指標(biāo)，高邊電流檢測(cè)，共模電壓V乘以共模抑制比后疊加到全差分電路輸出端，影響整體電路精度。LM358共模輸入范圍最高為正電源減去2V，對(duì)于5V單電源供電來(lái)說(shuō)，其共模輸入電壓范圍是0-3V。因此只能選用低邊電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)。并且高邊電流采樣，運(yùn)放有限的共模抑制比會(huì)在輸出引入偏差。低邊電流采樣是最合適的選擇。
3.3電路制作過(guò)程中的性能挖掘
采樣電阻RS通路上的電流會(huì)在導(dǎo)線上引起電壓差，因此電流檢測(cè)的兩個(gè)輸入端必須接到采樣電阻兩端而不能包含負(fù)載通路上的導(dǎo)線，否則會(huì)引入采樣誤差。運(yùn)放電源的去耦電容對(duì)于改善運(yùn)放電源抑制比，降低噪聲都有比較重要的作用。去耦電容應(yīng)該距離運(yùn)放盡可能近，保證去耦電容正負(fù)極到運(yùn)放芯片電源引腳和地引腳的走線寄生阻抗盡可能短。采樣電路運(yùn)放正負(fù)端在實(shí)際電路中由于導(dǎo)線引起的寄生電容會(huì)影響電路穩(wěn)定性。所以一方面制作的電路元件盡可能合理布局，減短導(dǎo)線路徑降低導(dǎo)線寄生電容。另一方面，在R2A、R2B、R3A、R3B電阻預(yù)留與之并聯(lián)的電容，以便調(diào)試合理的電容值抵消寄生電容效應(yīng)。本文實(shí)驗(yàn)案例是通過(guò)指定電路類(lèi)型和限定關(guān)鍵器件運(yùn)算放大器的型號(hào)，引導(dǎo)學(xué)生分析關(guān)鍵元器件的與電路相關(guān)的特性參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)使電路整體性能達(dá)到最優(yōu)。使學(xué)生學(xué)會(huì)電路設(shè)計(jì)是一個(gè)整體，具有木桶效應(yīng)，要通過(guò)關(guān)鍵元器件性能為中心來(lái)優(yōu)化電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)，補(bǔ)齊短板，實(shí)現(xiàn)整體電路性能。而不是注重用高性能元器件而忽略電路的優(yōu)化。
4結(jié)束語(yǔ)
本文從模擬電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生情況為出發(fā)點(diǎn)，提出了以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的模擬電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)教學(xué)思路和方法，并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)案例來(lái)闡述本文提出的教學(xué)方法。引導(dǎo)學(xué)生工程思維方式，分析關(guān)鍵元器件參數(shù)，關(guān)鍵元器件為中心優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使整體電路達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。使學(xué)生的實(shí)踐能力和思維方式更貼近工程應(yīng)用實(shí)際，達(dá)到實(shí)驗(yàn)課教學(xué)目的。
參考文獻(xiàn)：
[1]王玉菡，曾自強(qiáng)，陳鴻雁，等.淺談“模擬電子技術(shù)”課堂教學(xué)方法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2019，41（3）：80-83
[2]劉大勇，姚丹，鄭傳濤.基于LabVIEW的抽象化模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2019，37（5）：539-544.
[3]李春陽(yáng)，鄭藝，付鐵，等.基于學(xué)科競(jìng)賽的實(shí)踐教學(xué)模式研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（10）：208-210.
[4]王志秀.課題研究教學(xué)法在模擬電子技術(shù)課程中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（11）：268-270.
[5]楊飛，王一群，周素華.問(wèn)題啟發(fā)式電路原理實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（9）：158-160，197.
作者：劉雨鑫 曾麗娜 張?jiān)蒲?包濤 單位：西北工業(yè)大學(xué)
