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[摘 要] 目前国内高校常见的模拟电路实验采用电路综合实验箱，学生根据实验指导书的内容需要通过杂乱的接线连接电路，才能机械的完成实验，学生初学时难以掌握。同时大部分模拟电路实验课程未与生物医学工程专业的特性相结合，也未与后续专业课程相结合而融入整个实验体系中。通过对上述模电实验存在的问题进行梳理，设计新型模拟电路实验架构，通过模块化、可视化以及融入其他专业课程内容等方式，在学习模电知识的同时锻炼了学生的综合实践能力。
[关键词] 模拟电路实验;生物医学工程;模块化;可视化;改革探索
[基金项目] 2020年度深圳技术大学实验室与设备管理研究基金项目（JS20200004）;2020年度校级“质量工程”建设项目“健康与环境工程学院实验教学示范中心”
[作者简介] 顾家军（1991—），男，安徽滁州人，硕士，深圳技术大学健康与环境工程学院实验师，主要从事生命信息监护与医学图像处理研究。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）41-0044-04 [收稿日期] 2021-04-09
一、引言
模拟电路实验具有基础厚、专业活、适应性广的特点，是一门比较难学的课程。实验与理论互补、良好的实验课程，可以辅助理论课教学成效。目前多数实验采用综合实验箱，一方面学生需要通过杂乱的接线才能完成实验，初学者很难达到实验的预期效果，影响后续的学习兴趣[1，2];另一方面大多数实验内容未与生物医学工程专业特点相结合，学生难以掌握模电在专业领域的应用。笔者经历多年的模拟电路教学与实践，希望通过电路原理模块化[3，4]，将实验结果可视化，并将实验内容与生物医学工程专业特点相结合，由易到难，逐步引导学生完成模拟电路课程的学习。
二、生物医学工程模拟电路实验存在的问题
（一）缺乏针对性
目前國内大多数高校生物医学工程模电实验教学内容大多借鉴电子信息类专业，缺乏针对性内容，未能体现出自己专业特色。
（二）实验烦琐，缺乏直观性
模拟电路实验包括器件识别、测量仪器使用等实验基础知识的学习和验证型、设计型和综合型实验的操作[5]。验证性实验主要包含二极管与整流、三极管与放大、运算放大器与信号放大、加法器、滤波器、稳压电源等。在现有的电路模拟数字综合实验箱[6]实现这些功能需要直插式芯片、电阻、电容器件和多线引线在实验箱上进行连接。烦琐的接线占用了大量的课堂时间，并且实验的直观性不强，使得模拟电路原理的验证达不到设想的效果，并且频繁地插拔芯片也易造成芯片损坏。由于烦琐且机械化的实验操作导致学生实验兴趣不高，学生实践学习效果不佳。
（三）缺乏完善的实验体系
目前生物医学工程专业普遍存在模电实验课程只是在辅助本门专业课程的学习，加深学生对于本门课程的了解和实践能力，未能将本门实验课程与其他课程相结合。生物医学工程实验课程本为一个体系，其中的每门实验课程能够成为该体系中的一环，模电实验未能融合到整个实验体系中而起到衔接作用。
三、生物医学工程模拟电路实验改革探索方式
针对目前国内高校生物医学工程专业实验教学中模电课程普遍存在的问题，设计一套新型模电实验课程内容来解决上述问题。整体实验内容架构如图1所示。
（一）模拟电路实验电路模块化
针对频繁接线的导致占用大量课堂时间和频繁地插拔芯片的问题，图1中给出的探索思路是通过将模拟电路实验进行模块化设计。模块式模拟实验板，其电路根据理论课电路为原型进行设计，以接插件方式与实验平台板连接;实验板的顶面按理论教学的实验电路原理图进行丝印;预留输入端接信号发生器输入原始波形;预留出可调节的器件，实时修改电路参数;预留输入、输出测试点，工作状态测试点，同时测试点与实验平台板对应的模数转换端口相连接。
（二）模拟电路实验结果可视化
针对采用模拟电路实验箱在验证实验结果时，结果不够直观的问题，图1中给出的探索思路是通过将模拟电路实验结果可视化。通过将模电电路实验结果进行AD转换为数字信息，在屏幕上进行通过波形或数值显示出结果。采用STM32F103RCT6为主处理器，ADuC7060为协处理器，主、协处理器之间通过SPI通信。通过接插件，主处理器可提供十六通道通用I/O口，协处理器提供十通道24位同步ADC，一个通道PWM，一个通道DAC和两通道可编程电流源。开放式的架构也可以接纳学生自主设计功能电路的拼入[7]。上位机基于PC软件系统，主要实现RS232串口通信（数据打包发送、解包接收和控制字发送）、界面绘制、状态显示和实时波形图等功能。实现对模块式模拟实验的状态监控，包含关键部位电压和信号。通过比对示波器、万用表等仪器测量值，让初学者对实验与结果有初步的了解和认识。
（三）模拟电路实验内容体系化
为了突出生物医学工程的特点，更好地将模拟电路相关知识应用到生物医学工程专业中去。提出将心电、脑电、肌电、眼电、脉搏波、呼吸等常见的人体生理信号作为模拟电路实验中的信号源，并且针对相应的生理的信号的特性，设计相应的运放电极和RC滤波电路等与模拟电路相关实验相关结合的实验。亦可通过将模拟电路与生物医学工程专业相结合来设计相应的高级项目作为模拟电路实验的阶段性考核，如要求学生设计一套完整电路实现心电信号的采集，获得较为纯净的信号。这些信号处理的内容能够与信号与系统的知识相契合。同时图1的实验架构中包含了STM32和ADuC7060单片机，并留有相应的接口，学生可以对单片机进行再次编程烧录，这与嵌入式课程相契合，上位机软件的编写又能够与软件开发类课程相契合。对模电实验框架的改革能够与众多课程相融合，使得模电实验课程在体现专业特色的同时，在整个生物医学工程体系中起到承上启下的作用。 四、模擬电路实验改革探索效果
针对新型模电实验架构，设计了如图2所示的实验平台板。通过接插件将相应的模块板卡插入到实验平台板中进行相关的实验的操作，在切换实验课程时只需要通过更换模块板卡即可完成。
为了验证新型模拟电路实验架构平台和实际效果，选用典型的模拟电路实验运算放大模块进行效果分析。同相、反相比例放大电路是最基本的运算放大器应用电路，由它们可组成求差（减法）、求和（加法）、积分、微分电路以及仪表放大器。选用同相、反相比例放大电路作为运算放大电路实验的电路。
运算放大模块的电路在原有的同相、反相比例放大电路基础上，添加了信号输入端、接地端;根据实验手册添加相应的测试点，并且测试点通过跟随电路与对应的模数转换端口连接，电路如图3所示，将模拟信号输出至实验平台板，最后通过数字化处理和PC机显示，构成了整个实验的基础。实验目的是了解信号放大与相位变化。实验中学生按实验手册要求调节信号发生器输出，并将输出接至Vi，而后按照实验手册步骤，使用数字万用表、信号发生器和示波器测量相应的测试点计算放大倍数，最后与理论计算值、PC软件监测值进行比对完成整个实验。实验验证与实验效果如下。
1.同相放大电路。在运算放大模块的同相放大电路Vi端接入300mV，10Hz（200mV偏移电压）正弦波信号。上位机测出放大后信号，为频率10Hz，幅度900mV的正弦波如图4所示，与示波器所测一致。
2.反相放大电路。在运算放大模块的反相放大电路Vi端接入300mV，10Hz（200mV偏移电压）正弦波信号。上位机测出放大后信号，为频率10Hz，幅度1.6V的正弦波如图5所示。
通过上述验证实验，发现新型模电实验架构能够在达到传统实验箱效果，同时没有烦琐的接线与芯片拔插，学生能够将更多的精力放在实验原理及实验计算等核心实验内容上。采用上位机软件显示出实验结果的方式，学生能够在调整实验参数的第一时间得到整个实验系统的反馈，能够更加直观地观察到实验结果，可视化的实验结果能够增强学生学习模电的兴趣，提高学生的实践能力。部分模电实验内容采用上述实验架构，在现有实验教学过程中，取得了较好的反馈。
五、结语
探索将模拟电路实验课按实验内容把所涉及的电路模块化、数字化，着重巩固模拟电路课程所学的理论知识，使学生在课堂上有充足的时间完成实验电路各性能、指标和参数的计算。在此之前，学生将大量的课堂时间花在了如何连通实验箱接线上，而且所连上的电路也不能直观地反映电路组成和原理;同时，探索将模拟电路实验与生物医学工程专业的特点相结合，将常见的生命信息参数作为模拟电路拾取的信号源，亦可根据相应的生命信息参数设计相应的高级工程实践。对模拟电路实验改革探索的目的是能够直观地体现电路组成，所见即所得，更重要的是节省了连通电路的时间，缩短了实验课所需的课时，并且与生物医学工程专业特点相结合，成为整个生物医学工程实验课程体系中的一环，在提高学生学习模拟电路的效率的同时，加深对专业的认识。
参考文献
[1]李志军，陈万培，于卫.《模拟电路》实验教学改革探讨[J].实验科学与技术，2013，11（4）：78-80.
[2]张科红.模拟电路实验教学改革的探索[J].教育教学论坛，2018（34）：146-147.
[3]张坤，张子才，陈义.模拟电路实验教学改革探索[J].实验室科学，2008（1）：58-60.
[4]艾伟清，徐伟.工程教育专业认证背景下模拟电路实验教学探索[J].中国教育技术装备，2017（16）：130-132.
[5]姚缨英，孙盾，童梅.电路原理模块化综合实验的探索[J].电气电子教学学报，2009，31（2）：65-67+78.
[6]张远岐，任茂林，刘国昌.电路模拟数字综合实验箱的研制[J].实验室研究与探索，2000（5）：79-83.
[7]姚缨英，祁才君，马菱旎.模块化开放式电路综合实验（2）——语音系统功能电路设计[J].实验技术与管理，2011，28（5）：12-16.
Reform and Exploration of Analog Circuit Experiment in Biomedical Engineering Major
GU Jia-jun， ZHU Chao-fan， CHEN Jin， CHEN Ling-ling
（College of Health Science and Environmental Engineering， Shenzhen Technology University， Shenzhen， Guangdong 518118， China）
Abstract： At present， the common analog circuit experiments in domestic colleges and universities use the integrated circuit experiment box. According to the contents of the experiment instruction， students need to connect the circuit through disorderly wiring to complete the experiment， which is difficult for students to master. At the same time， most of the analog circuit experiment courses are not combined with the characteristics of biomedical engineering major， nor are they combined with the subsequent professional courses in the whole experiment system. By sorting out the existing problems of the above-mentioned analog circuit experiment， designing a new analog circuit experiment framework， and through modularization， visualization， and the integration of the content of other professional courses， students can learn the knowledge of analog circuit and exercise their comprehensive practical ability.
Key words： analog circuit experiment; biomedical engineering; modularization; visualization; reform and exploration
[关键词] 模拟电路实验;生物医学工程;模块化;可视化;改革探索
[基金项目] 2020年度深圳技术大学实验室与设备管理研究基金项目（JS20200004）;2020年度校级“质量工程”建设项目“健康与环境工程学院实验教学示范中心”
[作者简介] 顾家军（1991—），男，安徽滁州人，硕士，深圳技术大学健康与环境工程学院实验师，主要从事生命信息监护与医学图像处理研究。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）41-0044-04 [收稿日期] 2021-04-09
一、引言
模拟电路实验具有基础厚、专业活、适应性广的特点，是一门比较难学的课程。实验与理论互补、良好的实验课程，可以辅助理论课教学成效。目前多数实验采用综合实验箱，一方面学生需要通过杂乱的接线才能完成实验，初学者很难达到实验的预期效果，影响后续的学习兴趣[1，2];另一方面大多数实验内容未与生物医学工程专业特点相结合，学生难以掌握模电在专业领域的应用。笔者经历多年的模拟电路教学与实践，希望通过电路原理模块化[3，4]，将实验结果可视化，并将实验内容与生物医学工程专业特点相结合，由易到难，逐步引导学生完成模拟电路课程的学习。
二、生物医学工程模拟电路实验存在的问题
（一）缺乏针对性
目前國内大多数高校生物医学工程模电实验教学内容大多借鉴电子信息类专业，缺乏针对性内容，未能体现出自己专业特色。
（二）实验烦琐，缺乏直观性
模拟电路实验包括器件识别、测量仪器使用等实验基础知识的学习和验证型、设计型和综合型实验的操作[5]。验证性实验主要包含二极管与整流、三极管与放大、运算放大器与信号放大、加法器、滤波器、稳压电源等。在现有的电路模拟数字综合实验箱[6]实现这些功能需要直插式芯片、电阻、电容器件和多线引线在实验箱上进行连接。烦琐的接线占用了大量的课堂时间，并且实验的直观性不强，使得模拟电路原理的验证达不到设想的效果，并且频繁地插拔芯片也易造成芯片损坏。由于烦琐且机械化的实验操作导致学生实验兴趣不高，学生实践学习效果不佳。
（三）缺乏完善的实验体系
目前生物医学工程专业普遍存在模电实验课程只是在辅助本门专业课程的学习，加深学生对于本门课程的了解和实践能力，未能将本门实验课程与其他课程相结合。生物医学工程实验课程本为一个体系，其中的每门实验课程能够成为该体系中的一环，模电实验未能融合到整个实验体系中而起到衔接作用。
三、生物医学工程模拟电路实验改革探索方式
针对目前国内高校生物医学工程专业实验教学中模电课程普遍存在的问题，设计一套新型模电实验课程内容来解决上述问题。整体实验内容架构如图1所示。
（一）模拟电路实验电路模块化
针对频繁接线的导致占用大量课堂时间和频繁地插拔芯片的问题，图1中给出的探索思路是通过将模拟电路实验进行模块化设计。模块式模拟实验板，其电路根据理论课电路为原型进行设计，以接插件方式与实验平台板连接;实验板的顶面按理论教学的实验电路原理图进行丝印;预留输入端接信号发生器输入原始波形;预留出可调节的器件，实时修改电路参数;预留输入、输出测试点，工作状态测试点，同时测试点与实验平台板对应的模数转换端口相连接。
（二）模拟电路实验结果可视化
针对采用模拟电路实验箱在验证实验结果时，结果不够直观的问题，图1中给出的探索思路是通过将模拟电路实验结果可视化。通过将模电电路实验结果进行AD转换为数字信息，在屏幕上进行通过波形或数值显示出结果。采用STM32F103RCT6为主处理器，ADuC7060为协处理器，主、协处理器之间通过SPI通信。通过接插件，主处理器可提供十六通道通用I/O口，协处理器提供十通道24位同步ADC，一个通道PWM，一个通道DAC和两通道可编程电流源。开放式的架构也可以接纳学生自主设计功能电路的拼入[7]。上位机基于PC软件系统，主要实现RS232串口通信（数据打包发送、解包接收和控制字发送）、界面绘制、状态显示和实时波形图等功能。实现对模块式模拟实验的状态监控，包含关键部位电压和信号。通过比对示波器、万用表等仪器测量值，让初学者对实验与结果有初步的了解和认识。
（三）模拟电路实验内容体系化
为了突出生物医学工程的特点，更好地将模拟电路相关知识应用到生物医学工程专业中去。提出将心电、脑电、肌电、眼电、脉搏波、呼吸等常见的人体生理信号作为模拟电路实验中的信号源，并且针对相应的生理的信号的特性，设计相应的运放电极和RC滤波电路等与模拟电路相关实验相关结合的实验。亦可通过将模拟电路与生物医学工程专业相结合来设计相应的高级项目作为模拟电路实验的阶段性考核，如要求学生设计一套完整电路实现心电信号的采集，获得较为纯净的信号。这些信号处理的内容能够与信号与系统的知识相契合。同时图1的实验架构中包含了STM32和ADuC7060单片机，并留有相应的接口，学生可以对单片机进行再次编程烧录，这与嵌入式课程相契合，上位机软件的编写又能够与软件开发类课程相契合。对模电实验框架的改革能够与众多课程相融合，使得模电实验课程在体现专业特色的同时，在整个生物医学工程体系中起到承上启下的作用。 四、模擬电路实验改革探索效果
针对新型模电实验架构，设计了如图2所示的实验平台板。通过接插件将相应的模块板卡插入到实验平台板中进行相关的实验的操作，在切换实验课程时只需要通过更换模块板卡即可完成。
为了验证新型模拟电路实验架构平台和实际效果，选用典型的模拟电路实验运算放大模块进行效果分析。同相、反相比例放大电路是最基本的运算放大器应用电路，由它们可组成求差（减法）、求和（加法）、积分、微分电路以及仪表放大器。选用同相、反相比例放大电路作为运算放大电路实验的电路。
运算放大模块的电路在原有的同相、反相比例放大电路基础上，添加了信号输入端、接地端;根据实验手册添加相应的测试点，并且测试点通过跟随电路与对应的模数转换端口连接，电路如图3所示，将模拟信号输出至实验平台板，最后通过数字化处理和PC机显示，构成了整个实验的基础。实验目的是了解信号放大与相位变化。实验中学生按实验手册要求调节信号发生器输出，并将输出接至Vi，而后按照实验手册步骤，使用数字万用表、信号发生器和示波器测量相应的测试点计算放大倍数，最后与理论计算值、PC软件监测值进行比对完成整个实验。实验验证与实验效果如下。
1.同相放大电路。在运算放大模块的同相放大电路Vi端接入300mV，10Hz（200mV偏移电压）正弦波信号。上位机测出放大后信号，为频率10Hz，幅度900mV的正弦波如图4所示，与示波器所测一致。
2.反相放大电路。在运算放大模块的反相放大电路Vi端接入300mV，10Hz（200mV偏移电压）正弦波信号。上位机测出放大后信号，为频率10Hz，幅度1.6V的正弦波如图5所示。
通过上述验证实验，发现新型模电实验架构能够在达到传统实验箱效果，同时没有烦琐的接线与芯片拔插，学生能够将更多的精力放在实验原理及实验计算等核心实验内容上。采用上位机软件显示出实验结果的方式，学生能够在调整实验参数的第一时间得到整个实验系统的反馈，能够更加直观地观察到实验结果，可视化的实验结果能够增强学生学习模电的兴趣，提高学生的实践能力。部分模电实验内容采用上述实验架构，在现有实验教学过程中，取得了较好的反馈。
五、结语
探索将模拟电路实验课按实验内容把所涉及的电路模块化、数字化，着重巩固模拟电路课程所学的理论知识，使学生在课堂上有充足的时间完成实验电路各性能、指标和参数的计算。在此之前，学生将大量的课堂时间花在了如何连通实验箱接线上，而且所连上的电路也不能直观地反映电路组成和原理;同时，探索将模拟电路实验与生物医学工程专业的特点相结合，将常见的生命信息参数作为模拟电路拾取的信号源，亦可根据相应的生命信息参数设计相应的高级工程实践。对模拟电路实验改革探索的目的是能够直观地体现电路组成，所见即所得，更重要的是节省了连通电路的时间，缩短了实验课所需的课时，并且与生物医学工程专业特点相结合，成为整个生物医学工程实验课程体系中的一环，在提高学生学习模拟电路的效率的同时，加深对专业的认识。
参考文献
[1]李志军，陈万培，于卫.《模拟电路》实验教学改革探讨[J].实验科学与技术，2013，11（4）：78-80.
[2]张科红.模拟电路实验教学改革的探索[J].教育教学论坛，2018（34）：146-147.
[3]张坤，张子才，陈义.模拟电路实验教学改革探索[J].实验室科学，2008（1）：58-60.
[4]艾伟清，徐伟.工程教育专业认证背景下模拟电路实验教学探索[J].中国教育技术装备，2017（16）：130-132.
[5]姚缨英，孙盾，童梅.电路原理模块化综合实验的探索[J].电气电子教学学报，2009，31（2）：65-67+78.
[6]张远岐，任茂林，刘国昌.电路模拟数字综合实验箱的研制[J].实验室研究与探索，2000（5）：79-83.
[7]姚缨英，祁才君，马菱旎.模块化开放式电路综合实验（2）——语音系统功能电路设计[J].实验技术与管理，2011，28（5）：12-16.
Reform and Exploration of Analog Circuit Experiment in Biomedical Engineering Major
GU Jia-jun， ZHU Chao-fan， CHEN Jin， CHEN Ling-ling
（College of Health Science and Environmental Engineering， Shenzhen Technology University， Shenzhen， Guangdong 518118， China）
Abstract： At present， the common analog circuit experiments in domestic colleges and universities use the integrated circuit experiment box. According to the contents of the experiment instruction， students need to connect the circuit through disorderly wiring to complete the experiment， which is difficult for students to master. At the same time， most of the analog circuit experiment courses are not combined with the characteristics of biomedical engineering major， nor are they combined with the subsequent professional courses in the whole experiment system. By sorting out the existing problems of the above-mentioned analog circuit experiment， designing a new analog circuit experiment framework， and through modularization， visualization， and the integration of the content of other professional courses， students can learn the knowledge of analog circuit and exercise their comprehensive practical ability.
Key words： analog circuit experiment; biomedical engineering; modularization; visualization; reform and exploration