独立院校电子设计大赛模电培训的内容及方法探索

摘要:目前,独立院校电子相关专业虽然都开设了模拟电子技术课程,但课程结束后,学生普遍反映收效甚微,对模电仍然没有具体的认识。因此,独立院校参加电子设计大赛培训的学生在模电部分的基础很薄弱,动手能力也很差。而模电部分的定量设计又是决定电子设计大赛作品的质量的关键环节,所以模电培训的内容及方法在电子设计大赛培训中显得尤为重要。本文针对独立院校提出了电子设计大赛的模电培训内容及培训方法,可以有效提高学生的模电设计和动手能力。

关键词:电子设计大赛;模拟电子技术;培训方法

目前,独立院校电子相关专业虽然都开设了模拟电子技术课程,但课程结束后,学生普遍反映收效甚微,对模电仍然没有具体的认识。因此,独立院校参加电子设计大赛培训的学生在模电部分的基础很薄弱,动手能力也很差。而模电部分的定量设计又是决定电子设计大赛作品的质量的关键环节,所以模电培训的内容及方法在电子设计大赛培训中显得尤为重要。

1、模电培训的项目内容

根据历届全国大学生电子设计大赛的竞赛题目来看,涉及到的模电部分总体可分为三个方面:运算放大、滤波以及功率放大,而且这三个方面都要达到准确的定量设计。因此模电培训的项目制定为以下三个:

⑴设计并制作一个放大器,采用两级反向放大器,前级粗调,后级细调。要求:输入峰值50mv正弦信号,总放大系数为50,带宽大于100KHz。

⑵300Hz～3.4KHz带通滤波器。截止频率为fL=300Hz,fH=3.4KHz。且要求采用多级低通连接多级高通,组成一个最大平坦滤波器。

⑶低频功率放大器。要求输入级使用差分放大器,输出级使用乙类功放电路,同时达到如下指标:负载8;输入信号电压为5～700m;额定输出功率为POR≥10W;非线性失真≤3%;电源效率≥55%。

这三个项目中第一个是最简单的,第三个是最难的,培训时先完成前两个,建立学生的自信心,再通过第三个项目的培训,真正提高学生的模电动手能力。

2、放大器设计的培训方法

学生对各种运算放大电路的结构是比较清楚的,但对运放的增益带宽积这个参数不了解。培训时首先要求学生根据题目的指标要求,选择的运算放大器的型号和电路结构,然后计算电路中各电阻的参数和运放的正负电源电压,最后焊接并调试。调试就涉及到直流稳压电源、信号发生器及示波器等常用仪器的使用,所以这个项目的培训除了可以让学生掌握放大器的设计方法外,还能熟悉基本仪器的使用。

3、带通滤波器设计的培训方法

滤波器的类型包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等多种类型,培训时先简单介绍几种常用滤波器的特点,根据题目要求设计最大平坦滤波器可以确定应该选用巴特沃斯滤波器。重点讲解滤波器的截止频率、品质因数和增益这些指标的分析计算方法。学生掌握了各项指标的理论计算后,基本就可以独立设计出带通滤波器的参数。对于阶数较高的滤波器,由于参数计算很复杂,可以指导学生结合滤波器仿真软件快速确定电路的参数,但这种方式不能一开始就提倡,否则学生不能真正掌握滤波器的指标计算机设计方法。学生完成电路设计后,进行焊接调试,调试时指导学生用信号发生器给出的300Hz和3.4KHz的正弦信号进行测试,在这两个频率处衰减3dB即可满足截止频率的要求。

4、低频功率放大器设计的培训方法

前两个项目都是由集成运放完成,学生对模电的认识还是比较模糊。用分立元件实现10W的低频功率放大器,经过这个项目的培训后,学生的动手能力可以大幅提高,而且能建立对模电的具体认识。但这个项目难度也是最大的,培训时既要培养学生的自学能力和独立解决问题的能力,又要在适当的时候帮助学生找到解决问题的方法,以免学生长时间解决不了问题时丧失信心。

根据题目要求,将5mV信号放大为,电压放大倍数为1788倍,单级放大电路不能满足要求,必须采用多级放大电路。因此,本次设计要用到差分放大电路,集电极输出的共射放大电路和乙类功率放大电路。培训时,首先要求学生自己通过《模拟电子技术》课本理解这三种电路的基本原理,包括放大电路的静态分析与动态分析。当学生具备理论基础后,指导学生确定直流电源电压及进行器件选型,各级三极管的型号根据UCEO,ICM和PCM三个参数确定。三极管型号确定后,学生就可以结合电路指标和三极管的放大系数确定各级静态工作点及动态范围,最终独立设计出完整的低频功率放大器电路图。此时的电路设计还完全停留在理论设计,由于学生理论水平有限,设计出的电路多少都存在问题,不过经过后面的调试后,电路会逐步得到改善,所以老师不必在这个阶段指出问题,要培养学生独立发现问题并且解决问题的能力。

接下来,要求学生按自己设计的电路先焊接输入级差分放大电路,调试好后再焊接调试中间放大的共射放大电路。当这两级电路联调时,大部分同学会发现电压放大倍数比两级单独设计的放大倍数的乘积要小得多,但每级单调时又与理论设计符合。出现这个问题后,学生往往无法找到真正原因,自然也无法把问题解决。其实问题在于学生对多级放大电路的放大倍数计算没有理解清楚,他们只知道整体放大倍数等于各级放大倍数的成绩,而这里各级放大倍数已经不是每级独立的放大倍数了,还要考虑前后级输入输出电阻对各级放大倍数的影响,所以这时要提醒学生查阅多级放大电路的放大倍数的计算方法。理解了这一点后,学生就知道了问题所在,进而找到办法,通过增加射级跟随电路把两级电路隔离,就解决了这个问题。电压放大倍数满足要求后,再焊接乙类功率放大电路,调试时,又会有新的问题出现,输出信号波形中出现很大的高频分量,波形很差,其实是电路产生了自激振荡,此时学生还不了解什么是自激振荡,老师要指导学生查阅自激振荡产生的原因及消除的方法,并进行试验。经过这个过程后,学生对于自激振荡就有了深入的理解,以后也会注意尽量避免电路产生自激振荡了。消除自激后,当电路带8负载时,还会出现问题,学生会发现空载时输出电压幅值可以满足要求,但带负载后输出电压被严重拉低,而且波形严重失真。这个问题,学生只靠自己也无法解决,归根结底还是因为理论水平不够,无法解释这个现象的产生原因。所以在这个阶段要帮助学生走出困境,详细分析为什么带负载后输出电压下降且波形失真。了解了原因后,学生就可以重新调整电路参数,解决这个问题。最后进行指标测试,大多数学生调试的电路都可以满足输出功率要求,但电源效率达不到指标。要求学生考虑如何提高电源效率,并改进电路,可以进一步提高电路性能指标。

5、小结

模电部分的培训在电子设计大赛培训中是很关键的环节,也是学生觉得比较困难的环节,培训内容要结合竞赛题目制定。至于培训方法,总而言之,要指导学生明确设计的流程、方法,引导学生从理论入手,通过调试验证理论设计是否正确,调试出现问题时又要上升到理论,补充理论知识,最后解决问题。根据本文提出的培训内容及培训方法进行培训可以有效提高学生的模电设计和动手能力。

参考文献

[1]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.北京:电子工业出版社,2007.

[2]童诗白.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,1998.

[3]铃木雅丞.晶体管电路设计.北京:科学出版社,2004.