弱信号放大电路中噪声与干扰的抑制电路设计
实验题目：弱信号放大电路中噪声与干扰的抑制电路设计
课程简要信息
**课程名称：**低频电子线路实验
**实验案例名称：**弱信号放大电路中噪声与干扰的抑制电路设计
**课程学时：**独立设课实验24学时，硬件16学时，EDA8学时
**实验案例学时：**课内4学时
**适用专业：**通信工程、自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程、电子信息科学与技术
**学生年级：**第二学年第一学期
实验内容与任务
**实验任务：**通过对弱信号放大电路的分析，掌握电路中噪声与干扰的产生原因及抑制方法。
实验内容：
- 实现功能：能够自主排查电路中常见的噪声与干扰，并进行抑制电路的设计。
2）实验工作：
包括预习实验原理；进行电路设计；完成预习报告；电路仿真与测试；电路搭建与调试；课堂交流；撰写实验报告。
实验过程及要求
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实验课前进行知识点复习；
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根据实验设计要求，分析电路功能，确定系统的原理框图，并且筛选合适的芯片，同时完成预习报告；
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按照设计原理图，利用Multisim软件对各单元电路进行功能仿真测试，并记录仿真结果；
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根据选择的元件以及实验室现有的硬件设备，在面板上搭建实际电路；
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按单元分块调试电路（弱信号放大电路、选频电路和滤波电路等）；
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进行整体电路调试，观察电路工作情况，并记录结果；
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功能演示，分组交流，了解不同设计方法及其特点，拓宽知识面；
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结合仿真和硬件测试数据，进行实验电路分析，最后撰写实验报告。
相关知识及背景
放大电路是模电学习中最基础的电路，绝大多数功能电路均是其衍生变化而来，因此对于其电路的搭建，基本结构元件的作用以及各项指标参数的测量和计算等学习十分重要。噪声及干扰是放大电路中常见的信号干扰因素，由于弱信号放大电路的通频带较宽，因此对于和信号频率相近的噪声以及干扰也常常会和信号一起被放大，从而影响到参数的测量。通过逆向学习思维授课，能够改变传统的实验授课理念，加深学生对基本电路的理解，为后续理论知识学习起到良好的铺垫作用。
实验环境条件
本课程实验依托于学校电工电子国家级实验教学示范中心，低频电子技术实验室以及EDA实验室。低频电子技术实验室是与北京普源精电科技有限公司联合共建实验室，包含信号源、台式万用表、示波器、频谱分析仪等设备，能够支持低频、电工电子等实验。EDA实验室全部配备联想计算机，包含Multisim、Proteus、Quartusll等软件，能够支持各类基础实验课程EDA实验。
实验案例软件仿真实验环境条件：
Multisim软件。
实验案例硬件测试实验环境条件：
直流稳压电源、信号源、台式万用表、交流毫伏表、示波器以及模块化电子技术实验箱。
教学目标与目的
知识目标：通过逆向教学思维，引导学生在弱信号放大电路中添加不同模拟低频噪声，从而了解弱信号放大电路中常见噪声与干扰的种类，由此掌握去除噪声和干扰的方法。结合软件仿真和实体搭建，使学生从理论到现象均能得到学习。
能力目标：使学生掌握该学习方法，提升学生自主学习的能力，为后续学习提供强有力的支撑。
情感目标：端正学生的学习态度，引导学生积极思考，培养学生刻苦钻研的学习精神。
教学设计与实施进程
本实验属于数字逻辑电路的综合性实验，包含多个基础知识点的学习，需要经历功能分析、系统设计、电路仿真、系统调试、设计总结等过程。在实验教学中，采用逆向教学思维进行课堂教学，同时需注意在以下几个方面加强对学生的引导：
1）课前学习阶段
吸引学生注意力，让学生了解课程主题，引发学生兴趣、让学生知道课程的重要性。通过展示电路中噪声对信号的影响，让学生对本实验题目有一定的了解和兴趣，同时抛出相关问题，使学生在思考中参与实验。
采用SMART原则提出教学目标，即目标必须是具体的（Specific）、可以衡量的（Measurable）、可以达到的（Attainable）、和其他目标具有相关性（Relevant）、具有明确的截止期限（Time-based）。在课前给予本次课程的实验要求，包括本次实验应该提前预习的理论知识，课内学时需完成的具体功能，课前及课后需完成的报告。
2）课堂教学阶段
引导学生利用微信小程序，扫码进行前测答题。题目包括本节课用到的相关理论知识。利用“前测”获取的学生知识的掌握情况，合理安排学生后续学习过程。课堂教学的核心，也是最难点，在于如何最大限度地让学生参与进来。因此，根据学生的能力设计了层次化的教学环节。基本层次为总结弱信号采集电路的主要干扰，实验重点为如何解决50Hz工频干扰；拔高层次为通过改变信号及噪声的频率范围，让学生掌握选频和滤波电路在实际应用中的区别；拓展实验的目的为让学生了解现代滤波器理论，从而关联后续课程。教学的重点为引导学生主动思考，通过在弱信号放大电路中加入噪声和干扰，从而让学生掌握放大电路中噪声和干扰的种类，及消除噪声和干扰的方法。“后测”包括检查电路搭建完成情况，器件选择的经济和合理性，搭线的美观度，电路功能完成情况，若拓展功能实现可获得额外加分。通过“后测”评估学生学习结果、检视是否学习目标，为后续的教学设计提供可持续改进的支撑。
- 课后完善阶段
课堂教学结束后，组织学生分组，且以不同设计方法为主题进行交流学习，拓宽知识面，同时对比实验数据，进行本次实验课程的总结，以便完成实验报告。
实验中教师要以学生学习成果为导向进行教学环节的设计，以教学目标的实现为重点进行实验的引导，注意鼓励学生自主学习的积极性，重视理论指导实践、实践验证理论的联动性，同时尽可能消除学生对实验课程的应付了事的心态。
实验原理及方案
以基本放大电路和音频放大电路为基础进行实验教学设计。首先，通过示波器及仿真图来解释噪声和干扰的概念，明确噪声和干扰对放大电路的影响，分析噪声和干扰产生的原因，引导学生选择合理的抑制电路。
**基本实验：**输入信号频率为1KHz，幅值为5mVrms。噪声为50Hz，5mVrms。模拟直流电源质量不好引起的工频干扰。引导学生排查干扰的来源，分析干扰主要频率，采用电源并联电容的方式进行干扰的消除，并通过仿真及实际实验进行验证。
**拔高实验：**基本放大电路中输入信号频率为1KHz，幅值为5mVrms。噪声为2k-5KHz，5mVrms。模拟电路产生的广谱噪声，但重点为讲解选频和滤波的区别，因此只模拟部分频段的噪声。通过音频放大电路，输入信号为200-20KHz，幅值为5mVrms。噪声分别为21KHz，5mVrms和21K-25KHz，5mVrms。引导学生掌握选频和滤波在实际应用中的区别，对比电路及仿真效果。
**拓展实验：**通过音频放大电路，输入信号为20-20KHz，幅值为5mVrms。输入噪声为200-5KHz，1mVrms。由于噪声和信号在部分频段重叠，让学生自行学习如何去噪。
教学实施进程
本实验的教学实施进程共分为三部进行，综合学生学习成果可进行相应调整。
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预习安排：为使学生具有充足的理论知识，任课教师提前1~2周布置预习任务以及实验题目和要求。学生需完成相关理论知识的预习，并完成预习报告。重点内容是各种滤波电路的工作原理；
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实验操作：共4学时，第一部分，为使学生能够自主完成电路设计并找出电路问题，任课教师只进行重点知识的讲授，其余时间留给学生实际操作，教师进行指导，学生需完成电路的设计与仿真测试任务；第二部分，学生完成实际电路的搭建和测试任务，重点内容是通过虚拟仿真软件对所设计的电路进行验证以及实际电路的搭建；
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验收总结：教师针对每个学生的电路，分别进行电路功能测试。对于不符合要求的电路，分析电路问题产生原因，及时进行改正；符合要求的电路可根据学生层次适当进行拓展功能的尝试，使学生知识水平进一步提高。同时进行分组的研讨交流，完成实验总结报告的撰写。
实验报告要求
预习报告：
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详细总结预习知识点，说明噪声和干扰的种类及产生原因；
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针对不同种类的噪声和干扰，设计相关抑制噪声和干扰的电路。
实验报告：
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需将仿真电路及实际搭建电路截图粘贴在实验报告中，并简述其工作原理；
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记录仿真测试以及系统调试数据，并介绍系统仿真及调试方法，在仿真测试以及电路调试过程中遇到的问题以及排查经过，包括记录问题现象，分析存在原因，以及排除方法和效果等；
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简单叙述对实验项目的结论性意见，说明电路最终实现的功能，并通过资料查询，给出系统进一步完善或改进的意向性说明；
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进行实验总结，详细叙述完成实验的收获、体会。
考核要求与方法
成绩评定采用分阶段多元化考核方式，总成绩由各部分成绩总和构成，同时根据实际情况适当调整评定项目及其构成。
- 预习报告：20%
在第一节实验课中进行预习报告验收，验收包括考察学生对相关知识的复习结果、初步的设计方案是否合理、功能是否完整、设计是否有创新性；
- 实验结果（功能完成情况、性能、连线、演示）：50%
**前测结果：**通过微信小程序可以统计学生的答题情况，10道客观单项选择题每题1分，共10分。占总成绩的10%；
**后测结果：**在实验课结束前进行后测结果验收，验收包括检查电路搭建完成情况，器件选择的经济和合理性，搭线的美观度，电路功能完成情况，若拓展功能实现可获得额外加分。占总成绩的40%；
- 设计总结报告：30%
实验课结束后一周内以班级为单位上交，主要考察报告的规范性和完整性。
项目特色或创新
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项目来源于现实生活，具有很强的实用性，能激发学生设计的兴趣和热情；
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通过分层次教学，采用多种设计方案，设计要求有基本功能和拓展功能，由浅入深，逐步深入，有效的把基本放大电路和滤波电路结合起来，体现了综合性、设计性以及创新性。
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学生在完成高频及信号与系统课程后，可采用其他电路实现功能要求，起到了学科中各课程之间的引导作用。