模拟电路实验在生物医学工程专业中的改革探索

顾家军 祝超凡 陈谨 陈玲玲

[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。