石婷　张国英　孙慧平　雷飞

［摘 要］ 针对当前模拟电路和数字电路实验缺少统一完整的实验平台的问题，自主设计开发了满足电类和非电类专业实践教学要求的综合实验系统平台，系统包括电源、单管放大电路、运算放大电路、功率放大电路、脉冲电路、显示电路等实验模块，集模电、数电、单片机实验于一体，可独立可综合地展示不同电路的实验过程。主要设计了基于自主设计综合实验平台的扩音机小系统，实践表明综合实验系统激发了学生的实验实践热情，使学生了解和掌握了扩音机的原理、特点、实现方法、调试方法等，加深了学生对模拟电路知识的理解。

［关键词］ 自主设计；综合实验平台；模拟电路；扩音机小系统

［基金项目］ 2021年度教育部“基于罗克韦尔工业的‘新工科产学研赛师资团队建设”（202102341001）；2021年度教育部“基于TI器件的电子技术课程实验实践平台开发”（202102165002）；2021年度北京工业大学“电子技术基础及课程设计虚拟仿真实验”（202103）

［作者简介］ 石 婷（1984—），女，内蒙古包头人，博士，北京工业大学信息学部高级实验师，人工智能与自动化实验中心主任（通信作者），主要从事电工电子、人工智能神经网络研究；雷 飞（1972—），男，安徽桐城人，博士，北京工业大学信息学部副教授，教务处副处长，主要从事机器人、虚拟仿真实验研究。

［中图分类号］ G642.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）24-0005-04 ［收稿日期］ 2022-05-05

引言

“电子技术”是一门重要的专业基础课程，是根据电子学的原理，运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括模拟电子技术和数字电子技术，是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要包括信号的发生、放大、滤波、转换［1］。2019年北京工业大学传统的电子技术实验课程（包括“数字电路实验”和“模拟电路实验”）采用了本校自主设计研发的自制综合实验箱，代替了传统的数模电实验箱进行授课。该实验箱包括数字电路、模拟电路、单片机部分，由整体实验底座和各分实验模块构成。每个单独的实验模块可实现单独的实验功能，包括电源模块、音频放大器模块、功率放大器、脉冲发生器、数码显示模块等，把多个实验模块连接到一起可实现系统的实验功能。该实验箱包含的实验项目广泛，实验内容有难度梯度，可实现从简单的基础实验训练到复杂的实验实践系统训练等，满足不同年龄、不同专业、不同要求的学生的学习需求。本文主要阐述了基于自主设计综合实验平台的扩音机小系统实验教学模式。经过自动化、机器人工程、人工智能、电子科学与技术、微电子科学与技术等多个电类专业16个班学生的实践教学，取得了良好的效果和反馈，提高了实验实践水平［2］。

一、扩音机小系统实验平台使用方法

我校秉承“宽口径，厚基础，重应用，促创新的教学理念，注重对学生实践能力的培养。自主设计综合实验平台是为了更好地实践这一教学理念应运而生，可支撑“电子技术实验1&2”“电路与电子技术”“数字电子技术”等多门实验课程［3］。综合实验平台由底座和各实验模块组成，如图1（a）所示，给实验模块预留位置，各位置的实验模块电源地线等相通；是实验模块的存放位置。学生应先掌握综合实验平台的使用方法，该平台应用于教学时应注意以下几个方面：（1）实验模块面包板是双面面包板，如图1（b）所示，正面是传统的可插接元器件和导线的网孔，并且相邻两排之间的上下小孔相通；反面是插针，可以通过短路帽连接，进而对正面的网孔进行纵向和横向扩展。（2）实验灵活度很高，每个独立的实验模块可实现独立的实验功能，多个实验模块组合在一起可以实现系统的实验功能，实验模块既可以是综合实验平台自带的成型模块，也可以是学生自己焊接或搭接制作的模块，实验系统中的任一成型模块可以被学生自己制作的实验模块替代，这样不仅可以检验学生自己做的实验模块是否正确，还可让学生理解实验系统的构成可以是多元化的。（3）实验箱的使用范围非常广泛，该自主研发的综合实验平台目前可完成的实验包括模拟电路实验、数字电路实验、课程设计实验等，还可进行进一步的扩展，比如单片机实验等，解决了传统电子实验室需要一堆实验箱做各种实验的困扰，这一套实验箱几乎可以覆盖所有实验。（4）实验箱可发挥学生的主观能动性，该自主设计综合实验平台与传统实验箱相比，既可做系统实验，也可做独立实验，还可对其中模块进行替换，基于这些实验模块开发设计其他系统实验，提高了学生的实验兴趣，增强了学生主动参与实验的积极性［4-5］。

自主综合实验平台的可替代实验模块包括网孔板和面包板（如图1），两个板子的网孔结构相同。网孔板是实验中用于焊接电路的重要工具，面包板是实验室中用于搭接电路的重要工具，熟练掌握网孔板和面包板的使用方法是提高实验效率、减少实验故障概率的重要基础之一［6］。电源和地线都有清晰的区域，最上面一排网孔相通常作为电源区域，左右下三边网孔相通常作为地区域。对于面包板，可以通过背面连接短路帽横向或纵向扩展连接孔［7-8］。

二、扩音机小系统实验教学原理

先介绍扩音机小系统的总体组成框图，对扩音机小系统各实验功能模块进行较为深入的介紹。小型扩音机系统由下列几大部分组成（如图2），整体系统的供电由综合实验平台提供：（1）信号源——送话器（麦克）可将人的语音或手机播放的语音（音乐）转换成电信号输出，实验时也可以用信号源（函数发生器）输出正弦波信号，输出2 mV～3 mV（输出幅度可在100 mV～1 000 mV间，后经分压电阻分压）信号给话筒放大器。信号源输出信号的频率可在1 kHz左右。（2）话筒放大器也称前置放大器，由晶体管组成共发射极放大电路，放大倍数在5倍左右，输出电压在10 mV～15 mV之间，稍大或稍小均可，以波形不失真为准。（3）主放大器由运算放大器组成放大电路，放大倍数在10倍左右，输出电压在100 mV～150 mV之间，正弦波信号应不失真。（4）功率放大器由OTL（Output Transformer Less）推挽式无输出变压器功率放大电路、OCL（Output Capacitor Less）无输出耦合电容的功率放大器、BTL（Balanced Transformer Less或Bridge Transformerless）平衡式无输出变压器、桥式推挽电路组成，供电电压为5 V，输出不失真电压范围在1 V～2 V之间，负载为8 Ω的扬声器（小喇叭）。

三、扩音机小系统实验教学过程

扩音机小系统实验过程如图3所示，主体部分是自主设计综合实验平台，同时由信号源提供信号，用示波器测量信号。实验过程主要分为定性实验和定量实验两种，定性实验主要观察声音放大的效果，定量实验具体测量信号的电压幅度变化等。

（一）定性式的实验步骤及主要内容

1.认真阅读实验指导书及相关资料，熟悉综合实验平台及各电路模块的结构与作用。

2.找出各电路模块的电源接入端、接地端，信号的输入、输出等的引入引出端口，将电路模块插入相应的位置（按图3插入三个电路模块）。

3.检查无误后，接通+5 V直流电源，用数字万用表检查各电路模块电源接入端对地端的电压是否正常。

4.用送话器输入语音，用示波器观察扬声器两端信号的变化波形，同时注意扬声器发出的声音。

5.用手机发出的语音或音乐，送入送话器，重复上述“4”的实验。

（二）定量式的实验步骤及主要内容

1.用信号源输出频率为1 kHz，幅值为2 mV～3 mV的正弦波信号。

2.用示波器观察各电路模块输入、输出的波形，并读出其电压值，填入表1。

3.調节信号源输出信号的频率（在0.1 kHz～8 kHz之间），观察各放大电路模块输入、输出端信号的波形与幅度随频率变化的状态，并将变化的情况计入表2。

4.调节信号源输出信号的频率（频率为1 kHz不变），观察各放大电路模块输入、输出端信号的波形随幅度变化的状态，并将变化的情况计入表3。

（三）实验结果分析

定性实验中，以人耳可分辨的精度能听到声音有了明显的放大效果，更换功率实验模块时，OCL与BTL实验模块的放大效果相近，同时都优于OCL实验模块的放大效果。在定量实验中，得到的实验结果如表1、表2、表3所示，三级放大电路的放大倍数依次为：话筒放大器的放大倍数约为3～5倍、主放大器的放大倍数约为10倍左右、BTL功率放大器的放大倍数约为8～10倍、扩音机系统的整体放大倍数能达到250～500倍。同时在输入信号幅值不变的情况下，输入信号的频率过低或过高都会影响放大倍数，使放大倍数减小，声音的放大效果减弱；在输入信号频率不变的情况下，输入信号的幅度减小，输出信号也减小，输入信号的幅度增大，输出信号也增大，当输出信号较大时，OCL的不失真效果要优于BTL和OTL实验模块。

结语

扩音机小系统针对声音的放大过程包括电源、单管放大、运算放大、功率放大等相关实验内容和实验模块，系统展示了声音信号输入、放大、处理的整个流程。该系统不仅有利于加深学生对电路设计的理解、综合知识的运用，还有利于实践动手能力的提高，激发了学生的学习兴趣和探索创新的能力。同时，本系统为传统的模拟电路实验和数字电路实验课程的改革与创新提供了新思路和新途径。

参考文献

［1］岳昊嵩，张秀磊，张静，等.基于集成运算放大器的综合实验设计［J］.中国现代教育装备，2020（11）：34-35+39.

［2］黄烈铭.浅谈电子技术的发展与应用［J］.移动信息，2018（7）：39-40.

［3］贺杏妹.关于高职学生就业问题的思考［J］.智库时代，2017（6）：115-116.

［4］王越男，田思庆.“工程教育”背景下自动化专业应用型创新人才培养模式实践［J］.教书育人（高教论坛），2020（15）：12-13.

［5］王培元.新工科背景下电子设计自动化课程建设探究［J］.轻工科技，2019，35（2）：164-165.

［6］董建彬，王军芬，马艳玲.电子技术课程实验考核体系的构建与实践［J］.轻工科技，2021，37（9）：132-133.

［7］周子楠.电子技术基础与技能课程网络教学资源建设的实践研究初探［J］.现代职业教育（高职高专），2021（38）：184-185.

［8］徐美娟.仿真在共发射极基本放大电路教学中的应用［J］.电子测试，2020（21）：131-132+138.

A Small System of Amplifier Based on Self-designed Comprehensive Experimental Platform

SHI Ting， ZHANG Guo-ying， SUN Hui-ping， LEI Fei

（Faculty of Information Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： In view of the lack of unified and complete experimental platforms for the current analog circuit and digital circuit experiments， a comprehensive experimental platform is independently designed and developed to meet the practical teaching requirements of electrical and non-electrical majors. The system includes power supply， single tube amplifier circuit， operational amplifier circuit， power amplifier circuit， pulse circuit， display circuit and other experimental modules. The self-designed platform includes analog circuit， digital circuit and single-chip microcomputer experiments， which can independently and comprehensively display different the experimental process. A small system of amplifier based on self-designed comprehensive experimental platform is designed. Practice shows that the system stimulates experimental enthusiasm and interests of students. Students can better understand and master the principles， characteristics， implementation methods and debugging methods of amplifiers， which deepens their understanding of analog circuit knowledge.

Key words： independent design; comprehensive experimental platform; analog circuit; small amplifier system