实验题目：基于虚实结合的单管放大电路实验

1. 课程简要信息

课程名称：《电子技术实验》
课程学时：32学时
项目学时：课内2学时、课外2 学时
适用专业：电子信息类
学生年级：大学二年级

项目特色：传统的单管放大电路实验箱接线模式固定，学生无法深层次理解电路原理；而常见的电路仿真软件仅能在已知电路的基础上进行实验结果分析，很难培养或考察学生解决常见电路问题的能力。本实验项目将虚拟仿真实验及实际操作电路结合，设计了专用的在线电路虚拟仿真模块，教师能够在仿真电路中预置若干个短路或断路等实际操作中常见的故障，引导学生在进入实验室之前利用软件中提供的各种仪器设备进行故障查找，深入理解电路的原理及每个元件的作用，从而养成良好的工程思维及习惯，进一步在后续的实验室操作中轻松的解决各类电路问题。

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

基于虚实结合的单管放大电路实验包含课前预习（2学时）及实验室操作（2学时）两部分。学生需完成以下内容：

课前预习（在线虚拟实验形式，2 学时）：

a. 根据课程提供的预习材料，学习课程专用的在线电路虚拟仿真工具的使用方法，通过搭建实验用三极管放大电路，熟悉该工具的连线及元件调取方法，虚拟调试仪器的使用方法。
b. 在虚拟示波器中观察三极管放大电路的输入输出波形，测量（或计算）电路的静态工作点放大倍数，交流输入电阻及输出电阻，观察饱和失真及截止失真的输出波形。
c. 根据课程提供的预习资料，理解和掌握常见的电子电路调试及故障排查定位方法，并在线完成课程网站上提供的基于虚拟仿真工具的电路故障定位练习。

实验室实践（2 学时）：

a. 根据实验电路完成接线，测量单管共射放大电路的静态工作点。加入正弦信号，观察电路的输出波形，通过输入输出的对比，理解放大电路在幅度及相位方面的作用。测量电路空载和负载时的电压放大倍数，计算电路的输出电阻，采用替代法测量电路的输入电阻。
b. 改变输入信号的频率，通过描点法绘制电路的幅频特性曲线；观察静态工作点和输入信号的变化对波形输出的影响，理解饱和失真及截止失真产生的原因。
c. 利用实验室的电脑随堂完成 4道教师提前设定的故障电路排查测试题（选择题，10分钟），检验预习效果。
d. 根据仿真实验给出的故障排查思路，相邻同学为对方设置一种故障，利用仪器设备练习故障定位，巩固虚拟仿真实验效果。

通过本实验，学生可以深入理解单管共射放大电路相关理论知识及电路分析方法。利用课程设计的专用在线虚拟仿真实验项目，学习和掌握电子电路中常见的故障形式及快速定位方法。通过搭建实际电路，学习正确使用仪器仪表进行数据测量的方法，学习如何利用理论知识解决实验中出现的各种问题。完成实验报告的撰写，通过分析实验数据、总结实验过程中遇到的问题，加深和巩固理论知识，提高分析及解决工程问题的能力。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

传统的单管放大电路等实验大多以验证为主，电路结构固定，学生仅进行简单接线操作和测量，对电路的理解和掌握帮助有限。很多同学在实验结果有问题时拆线重接，没有养成利用仪器设备查错的习惯，违背了实验设置的本义。本项目通过虚实结合的方法，促使学生转变观念，主动进行故障原因的深入思考，从而提高工程实践能力。

4. 实验环境条件

自制在线虚拟仿真实验平台（图1）、模拟电路实验箱(图2)、函数信号发生器、直流稳压电源、示波器、万用表、导线等。

【电子技术实验专项训练】三极管共射电路

简介

学习目录

图1 在线虚拟仿真实验平台

图2 传统模拟电路实验箱

5. 教学目标与目的（限 150 字）

通过完成单管放大电路测试与调整、参数测量、结果计算、结论分析等实验环节，使学生深入理解放大器的构成及工作原理、分析方法，掌握电路基本调试方法。熟练使用电源、信号源及示波器等设备。

训练学生通过理论知识进行故障自主排查的意识与习惯，从而提高实际电路的分析及故障解决的能力，建立初步的工程理念。

6. 教学设计与实施进程

◼ 教学设计：

单管共射放大电路实验是一个理论与实践紧密结合的经典验证性实验。大多数高校都采用固定式放大电路实验箱进行，接线模式固定，学生无法深层次理解电路原理；而常见的电路仿真软件仅能在已知电路的基础上进行实验结果分析，很难培养或考察学生解决常见电路问题的能力。

针对这些问题，课程组对本实验进行了改革，将虚拟仿真实验及实际操作电路结合，形成了基于虚实结合的单管放大电路实验项目。设计了专用的在线电路虚拟仿真模块，教师能够在仿真电路中预置若干个短路或断路等实际操作中常见的故障，通过软件仿真的形式引导学生在进入实验室之前利用软件中提供的各种仪器设备进行故障查找，深入理解电路的原理及每个元件的作用，从而养成良好的工程思维及习惯，进一步在后续的实验室操作中轻松的解决各类电路问题。

本项目设计的实验教学流程如图 3所示，融合虚拟仿真实验及实验室操作模块，构成了完整的虚实结合课程应用体系，

图3基于虚实结合的单管放大电路实验教学流程

实施进程：

实验分为课前准备、课中操作及课后巩固三个阶段。

课前准备阶段：

教师提前一周布置预习任务；在虚拟仿真平台上上传好该电路的相关故障题目；拟定实验课程中需讲解的内容。

学生根据提供的预习材料，复习单管共射放大电路的静态工作点分析方法、动态放大倍数、输入输出电阻及频率响应性能等相关实验原理；学习专用的在线电路虚拟仿真工具的使用方法，搭建实验用三极管放大电路，熟悉连线及元件调取方法，虚拟调试仪器的使用方法。在虚拟示波器中观察三极管放大电路的输入输出波形，测量（或计算）电路的静态工作点放大倍数，交流输入电阻及输出电阻，观察饱和失真及截止失真的输出波形。理解和掌握常见的电子电路调试及故障排查定位方法，在线完成课程网站上提供的基于虚拟仿真工具的电路故障定位练习。

课内实验阶段：

教师在虚拟实验平台中随机选择 4 个故障电路发布，要求学生在 10 分钟内完成提交，检验学生预习效果，同时实时收集学生答案，选择错误率最高的题目进行现场分析。讲解实验注意事项，对实验操作完成质量、实验数据准确度进行记录与打分；适当答疑。

学生根据要求完成在线测试及实际实验操作，进行实验箱硬件电路搭接并使用相关仪器测量及记录实验数据和波形，解决实验中遇到的问题。要求独立完成，熟练使用在线虚拟故障排查界面；熟练使用仪器仪表，测量准确高效；积累故障电路分析和排查方法；注意实验操作的规范性、准确性、安全性；仪器仪表使用。

课后巩固阶段：

教师布置实验思考题，激发学生对所学电路应用思考，完成实验报告的批阅及反馈。

学生对在线故障排查测试题目做详细电路分析，写出分析过程；针对记录的实验数据和波形进行分析，与理论值对比，进行误差分析并总结相关结论；将数据分析结果及实验感受与总结等形成实验报告并在线提交。

7. 实验原理及方案

实验原理

单管共射放大电路的核心器件采用NPN型三极管，通过设置合适的静态工作点，控制三极管基极电流的大小，实现所需的集电极电流，在输出端可以得到一个与输入信号相位相反、幅值被放大的输出信号，从而实现交流电压的放大功能。

三极管正常工作需要合适的静态工作环境，静态工作点 $( V _ { B E O } , \ V _ { C E O } , \ I _ { C O } )$ 的取值，直接影响放大电路的性能，学生在学习过程中应熟练掌握作图法的工程实践意义和静态工作点的实验调整及测量方法，并理解工作点的偏移对输出波形的影响。

放大电路的动态指标包括电压放大倍数 $A _ { u }$ 、输入电阻 $R _ { i }$ 、输出电阻 $R _ { o }$ 、最大不失真输出电压 $V _ { o p p }$ 和通频带 BW 等，是反映电路性能的重要参数，应理解理论推导和实验测量方法，通过实验过程认识其工程应用方法及注意事项。

◼ 实现方案

本实验项目分为虚拟实验模块和硬件实验模块两部分，硬件实验模块延用传统的实验室模拟电路板和相关仪器设备，而虚拟实验模块为自行开发，硬件实验模块为经典内容，不做详细介绍，主要阐述虚拟实验模块的设计及功能。

虚拟实验系统的功能包括：

a. 教师用户可以在线搭建基本电路并根据需要设置并显示故障元件；
b. 学生用户通过访问教师编辑的电路网址，查看电路，但无法从表面观察到故障元件。可以通过提供的万用表、示波器等虚拟仪器设备查看节点电压或波形，从而推断故障元件。
c. 集成的管理系统，拥有用户注册，统一账号登录，虚拟实验课程发布、题目编辑与统计等功能，记录学生参加在线故障排查实验的情况。

在线电子电路模拟器根据登录用户的权限区分教师和学生的功能，重点在于训练学生的故障排查思维。

管理员版本供教师使用，其电路显示界面如图 4 所示。

图 4 管理员版本的界面及右键设置菜单

教师可以在该界面中使用相关菜单设计电路并设置电路各个环节中可能出现的故障点，这些故障涵盖仪器设备设置错误、导线断裂开路、元器件损坏、电路接线错误等平时实验中会出现的典型故障。管理员版本中可以看到电路中电流的流向以及设置的故障点（电容 C1短路），设计完毕后导出电路链接供后续使用。

普通用户版本供学生使用，其电路显示界面如图 5 所示。

图5 学生版本的界面及右键菜单

学生通过对应链接可以看到已设置好故障的电路，但无法看到电流的流向和故障点的存在，需要使用界面中提供的电压测试探针（Test Point,图上标为 TP）、示波器（Scope）去观测电路中任意节点的电压信号，根据所学理论知识判断故障所在位置。

教学管理平台融入了虚拟仿真实验模块，提供了相关实验指导及在线训练功能，引导学生学习仿真系统的功能及操作方法。完整的虚拟实验模块的学习目录有三极管共射放大电路原理、在线电路模拟器使用说明及故障电路分析训练三部分。

故障电路分析训练包括故障排查练习及随堂测试两部分，测试题目以选择题的形式给出（如图6所示），学生需要在浏览器界面上利用软件提供的测试点电压测量

及波形显示功能，结合理论分析电路的输入输出关系，进行故障选择。
图6 故障排查练习及随堂测试界面

虚拟仿真平台会对每位学生的学习情况做实时记录及统计，包括任务完成程度及学习时长等，后台的数据统计界面如图 7所示。

图 7 虚拟仿真平台提供的数据记录及统计

8. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验原理分析：分析放大电路的工作原理、静态工作点的取值范围及其对动态指标的影响；
2）理论推导计算：结合三极管的内部参数 $\beta$ 、 $r _ { b b }$ ，预估静态工作点和动态指标的理论数值；
3）电路测试方法：简述万用表直接测量 $V _ { B E Q }$ 、 $V _ { c E Q }$ 和间接测量 $/ _ { c \varrho }$ 的方法、利用定义测量 A 和 BW的方法、利用等效电路法测量 $R _ { i }$ 和 $R _ { o }$ 的方法;
4） 实验数据记录：制作表格和曲线，记录上述各项指标的间接测量数据;
5）数据处理分析：通过实验测量数据计算出静态和动态指标，以及静态工作点对动态指标的影响;
6） 在线故障排查测试题目分析：将在线测试题目的分析步骤完整写出；
7） 实验结果总结：与理论课堂相比，通过实验对进一步认知放大电路的性能特点有何帮助?与传统实验课堂相比，通过虚实结合方式开展实验对你有何帮助?说出自己的感受。

9. 考核要求与方法（限 300 字）

本实验属于《电子技术实验》课程中的一个实验内容，学生的最终成绩按每个内容的成绩及比重折算，为方便计算，本实验项目的成绩以 100 分计。其中，实验预习成绩占 $20 %$ ，随堂在线仿真电路故障排查测试占 $20 %$ 。实验操作过程及结果占 $30 %$ ，实验报告占 $30 %$ 。

10.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

基于虚实结合的单管放大电路实验解决了传统验证性实验中教学模式固定的问题，能够弥补现有的仿真实验中无法模拟真实电路差错情况的缺憾。

本实验项目以虚拟仿真实验及验证性实验相结合，探索了一种新型实验模式，有助于训练学生的电路综合设计及调试能力，培养良好的工程思维及素养，为后续课程的开展打好基础。