基于自主設計綜合實驗平臺的擴音機小系統研究

石婷　張國英　孫慧平　雷飛

［摘 要］ 針對當前模擬電路和數字電路實驗缺少統一完整的實驗平臺的問題，自主設計開發了滿足電類和非電類專業實踐教學要求的綜合實驗系統平臺，系統包括電源、單管放大電路、運算放大電路、功率放大電路、脈沖電路、顯示電路等實驗模塊，集模電、數電、單片機實驗于一體，可獨立可綜合地展示不同電路的實驗過程。主要設計了基于自主設計綜合實驗平臺的擴音機小系統，實踐表明綜合實驗系統激發了學生的實驗實踐熱情，使學生了解和掌握了擴音機的原理、特點、實現方法、調試方法等，加深了學生對模擬電路知識的理解。

［關鍵詞］ 自主設計；綜合實驗平臺；模擬電路；擴音機小系統

［基金項目］ 2021年度教育部“基于羅克韋爾工業的‘新工科產學研賽師資團隊建設”（202102341001）；2021年度教育部“基于TI器件的電子技術課程實驗實踐平臺開發”（202102165002）；2021年度北京工業大學“電子技術基礎及課程設計虛擬仿真實驗”（202103）

［作者簡介］ 石 婷（1984—），女，內蒙古包頭人，博士，北京工業大學信息學部高級實驗師，人工智能與自動化實驗中心主任（通信作者），主要從事電工電子、人工智能神經網絡研究；雷 飛（1972—），男，安徽桐城人，博士，北京工業大學信息學部副教授，教務處副處長，主要從事機器人、虛擬仿真實驗研究。

［中圖分類號］ G642.1 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）24-0005-04 ［收稿日期］ 2022-05-05

引言

“電子技術”是一門重要的專業基礎課程，是根據電子學的原理，運用電子元器件設計和制造某種特定功能的電路以解決實際問題的科學，包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。信息電子技術包括模擬電子技術和數字電子技術，是對電子信號進行處理的技術，處理的方式主要包括信號的發生、放大、濾波、轉換［1］。2019年北京工業大學傳統的電子技術實驗課程（包括“數字電路實驗”和“模擬電路實驗”）采用了本校自主設計研發的自制綜合實驗箱，代替了傳統的數模電實驗箱進行授課。該實驗箱包括數字電路、模擬電路、單片機部分，由整體實驗底座和各分實驗模塊構成。每個單獨的實驗模塊可實現單獨的實驗功能，包括電源模塊、音頻放大器模塊、功率放大器、脈沖發生器、數碼顯示模塊等，把多個實驗模塊連接到一起可實現系統的實驗功能。該實驗箱包含的實驗項目廣泛，實驗內容有難度梯度，可實現從簡單的基礎實驗訓練到復雜的實驗實踐系統訓練等，滿足不同年齡、不同專業、不同要求的學生的學習需求。本文主要闡述了基于自主設計綜合實驗平臺的擴音機小系統實驗教學模式。經過自動化、機器人工程、人工智能、電子科學與技術、微電子科學與技術等多個電類專業16個班學生的實踐教學，取得了良好的效果和反饋，提高了實驗實踐水平［2］。

一、擴音機小系統實驗平臺使用方法

我校秉承“寬口徑，厚基礎，重應用，促創新的教學理念，注重對學生實踐能力的培養。自主設計綜合實驗平臺是為了更好地實踐這一教學理念應運而生，可支撐“電子技術實驗1&2”“電路與電子技術”“數字電子技術”等多門實驗課程［3］。綜合實驗平臺由底座和各實驗模塊組成，如圖1（a）所示，給實驗模塊預留位置，各位置的實驗模塊電源地線等相通；是實驗模塊的存放位置。學生應先掌握綜合實驗平臺的使用方法，該平臺應用于教學時應注意以下幾個方面：（1）實驗模塊面包板是雙面面包板，如圖1（b）所示，正面是傳統的可插接元器件和導線的網孔，并且相鄰兩排之間的上下小孔相通；反面是插針，可以通過短路帽連接，進而對正面的網孔進行縱向和橫向擴展。（2）實驗靈活度很高，每個獨立的實驗模塊可實現獨立的實驗功能，多個實驗模塊組合在一起可以實現系統的實驗功能，實驗模塊既可以是綜合實驗平臺自帶的成型模塊，也可以是學生自己焊接或搭接制作的模塊，實驗系統中的任一成型模塊可以被學生自己制作的實驗模塊替代，這樣不僅可以檢驗學生自己做的實驗模塊是否正確，還可讓學生理解實驗系統的構成可以是多元化的。（3）實驗箱的使用范圍非常廣泛，該自主研發的綜合實驗平臺目前可完成的實驗包括模擬電路實驗、數字電路實驗、課程設計實驗等，還可進行進一步的擴展，比如單片機實驗等，解決了傳統電子實驗室需要一堆實驗箱做各種實驗的困擾，這一套實驗箱幾乎可以覆蓋所有實驗。（4）實驗箱可發揮學生的主觀能動性，該自主設計綜合實驗平臺與傳統實驗箱相比，既可做系統實驗，也可做獨立實驗，還可對其中模塊進行替換，基于這些實驗模塊開發設計其他系統實驗，提高了學生的實驗興趣，增強了學生主動參與實驗的積極性［4-5］。

自主綜合實驗平臺的可替代實驗模塊包括網孔板和面包板（如圖1），兩個板子的網孔結構相同。網孔板是實驗中用于焊接電路的重要工具，面包板是實驗室中用于搭接電路的重要工具，熟練掌握網孔板和面包板的使用方法是提高實驗效率、減少實驗故障概率的重要基礎之一［6］。電源和地線都有清晰的區域，最上面一排網孔相通常作為電源區域，左右下三邊網孔相通常作為地區域。對于面包板，可以通過背面連接短路帽橫向或縱向擴展連接孔［7-8］。

二、擴音機小系統實驗教學原理

先介紹擴音機小系統的總體組成框圖，對擴音機小系統各實驗功能模塊進行較為深入的介紹。小型擴音機系統由下列幾大部分組成（如圖2），整體系統的供電由綜合實驗平臺提供：（1）信號源——送話器（麥克）可將人的語音或手機播放的語音（音樂）轉換成電信號輸出，實驗時也可以用信號源（函數發生器）輸出正弦波信號，輸出2 mV～3 mV（輸出幅度可在100 mV～1 000 mV間，后經分壓電阻分壓）信號給話筒放大器。信號源輸出信號的頻率可在1 kHz左右。（2）話筒放大器也稱前置放大器，由晶體管組成共發射極放大電路，放大倍數在5倍左右，輸出電壓在10 mV～15 mV之間，稍大或稍小均可，以波形不失真為準。（3）主放大器由運算放大器組成放大電路，放大倍數在10倍左右，輸出電壓在100 mV～150 mV之間，正弦波信號應不失真。（4）功率放大器由OTL（Output Transformer Less）推挽式無輸出變壓器功率放大電路、OCL（Output Capacitor Less）無輸出耦合電容的功率放大器、BTL（Balanced Transformer Less或Bridge Transformerless）平衡式無輸出變壓器、橋式推挽電路組成，供電電壓為5 V，輸出不失真電壓范圍在1 V～2 V之間，負載為8 Ω的揚聲器（小喇叭）。

三、擴音機小系統實驗教學過程

擴音機小系統實驗過程如圖3所示，主體部分是自主設計綜合實驗平臺，同時由信號源提供信號，用示波器測量信號。實驗過程主要分為定性實驗和定量實驗兩種，定性實驗主要觀察聲音放大的效果，定量實驗具體測量信號的電壓幅度變化等。

（一）定性式的實驗步驟及主要內容

1.認真閱讀實驗指導書及相關資料，熟悉綜合實驗平臺及各電路模塊的結構與作用。

2.找出各電路模塊的電源接入端、接地端，信號的輸入、輸出等的引入引出端口，將電路模塊插入相應的位置（按圖3插入三個電路模塊）。

3.檢查無誤后，接通+5 V直流電源，用數字萬用表檢查各電路模塊電源接入端對地端的電壓是否正常。

4.用送話器輸入語音，用示波器觀察揚聲器兩端信號的變化波形，同時注意揚聲器發出的聲音。

5.用手機發出的語音或音樂，送入送話器，重復上述“4”的實驗。

（二）定量式的實驗步驟及主要內容

1.用信號源輸出頻率為1 kHz，幅值為2 mV～3 mV的正弦波信號。

2.用示波器觀察各電路模塊輸入、輸出的波形，并讀出其電壓值，填入表1。

3.調節信號源輸出信號的頻率（在0.1 kHz～8 kHz之間），觀察各放大電路模塊輸入、輸出端信號的波形與幅度隨頻率變化的狀態，并將變化的情況計入表2。

4.調節信號源輸出信號的頻率（頻率為1 kHz不變），觀察各放大電路模塊輸入、輸出端信號的波形隨幅度變化的狀態，并將變化的情況計入表3。

（三）實驗結果分析

定性實驗中，以人耳可分辨的精度能聽到聲音有了明顯的放大效果，更換功率實驗模塊時，OCL與BTL實驗模塊的放大效果相近，同時都優于OCL實驗模塊的放大效果。在定量實驗中，得到的實驗結果如表1、表2、表3所示，三級放大電路的放大倍數依次為：話筒放大器的放大倍數約為3～5倍、主放大器的放大倍數約為10倍左右、BTL功率放大器的放大倍數約為8～10倍、擴音機系統的整體放大倍數能達到250～500倍。同時在輸入信號幅值不變的情況下，輸入信號的頻率過低或過高都會影響放大倍數，使放大倍數減小，聲音的放大效果減弱；在輸入信號頻率不變的情況下，輸入信號的幅度減小，輸出信號也減小，輸入信號的幅度增大，輸出信號也增大，當輸出信號較大時，OCL的不失真效果要優于BTL和OTL實驗模塊。

結語

擴音機小系統針對聲音的放大過程包括電源、單管放大、運算放大、功率放大等相關實驗內容和實驗模塊，系統展示了聲音信號輸入、放大、處理的整個流程。該系統不僅有利于加深學生對電路設計的理解、綜合知識的運用，還有利于實踐動手能力的提高，激發了學生的學習興趣和探索創新的能力。同時，本系統為傳統的模擬電路實驗和數字電路實驗課程的改革與創新提供了新思路和新途徑。

參考文獻

［1］岳昊嵩，張秀磊，張靜，等.基于集成運算放大器的綜合實驗設計［J］.中國現代教育裝備，2020（11）：34-35+39.

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［3］賀杏妹.關于高職學生就業問題的思考［J］.智庫時代，2017（6）：115-116.

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［8］徐美娟.仿真在共發射極基本放大電路教學中的應用［J］.電子測試，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