新工科下課賽結(jié)合的“電子電路”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例

王藝 金輝 劉棋 羅元

【摘 要】新工科建設(shè)下，結(jié)合工程認(rèn)證要求，圍繞電子信息技術(shù)人才培養(yǎng)，面向?qū)W生工程能力達(dá)成目標(biāo)，提出一種課賽結(jié)合的“電子電路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路。將電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題進(jìn)行整理改造，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，供教學(xué)中使用。該方式有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)起到積極作用。

【關(guān)鍵詞】課賽結(jié)合;新工科;電子電路

【中圖分類號(hào)】G642 ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）17-0003-02

一、新工科下深度課賽結(jié)合的電子電路實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)思路

2017年，復(fù)旦大學(xué)舉行的綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)達(dá)成了“‘新工科建設(shè)復(fù)旦共識(shí)”，提出要服務(wù)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，發(fā)展一批新興工科專業(yè)和推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新[1][2][3]。隨后召開(kāi)的兩輪新工科建設(shè)研討會(huì)，確定了包含3大目標(biāo)7項(xiàng)行動(dòng)的“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線[4]。2018年教育部發(fā)文實(shí)施“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0[5]。顯然，將工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系，發(fā)展“新工科”，培養(yǎng)新型工程科技人才，對(duì)接新產(chǎn)業(yè)，服務(wù)新經(jīng)濟(jì)，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長(zhǎng)遠(yuǎn)之策?！半娮与娐贰笔歉咝Ｐ畔㈩悺㈦婎悓I(yè)的公共基礎(chǔ)課程，如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生實(shí)踐興趣，挖掘?qū)W生實(shí)踐探索能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力成為新工科建設(shè)的重要內(nèi)容。

“電子電路”實(shí)驗(yàn)案例開(kāi)發(fā)，源于大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題，以工程實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，從設(shè)計(jì)目標(biāo)確定、設(shè)計(jì)方案選擇、軟硬件選擇與取舍、設(shè)計(jì)的樣機(jī)實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理到實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化，形成了一條完整的問(wèn)題導(dǎo)向的思維途徑，能有效推動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考、激發(fā)學(xué)生實(shí)踐熱情、增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐獲得感，促進(jìn)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)。這種課賽結(jié)合，能力導(dǎo)向的案例開(kāi)發(fā)，豐富了新工科建設(shè)下的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，為實(shí)踐類環(huán)節(jié)的建設(shè)提供了一種新的思路。

二、基于賽題改造的教學(xué)設(shè)計(jì)案例

本案例源于2018年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽A題，原題是電流信號(hào)檢測(cè)裝置（本科），賽題任務(wù)是由任意波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)功率放大電路驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)導(dǎo)線連接10Ω電阻負(fù)載，形成一電流環(huán)路;設(shè)計(jì)一采用非接觸式傳感的電流信號(hào)檢測(cè)裝置，檢測(cè)環(huán)路電流信號(hào)的幅度及頻率，并將信號(hào)的參數(shù)顯示出來(lái)，具體要求可以分解為功率放大電路、電流傳感器、電流信號(hào)檢測(cè)分析電路的設(shè)計(jì)，但未給出其他相關(guān)參考信息。

由于賽題面向的是比較優(yōu)秀的大學(xué)生群體，而作為全覆蓋的電子電路設(shè)計(jì)類題目，需要進(jìn)行適當(dāng)改造，將本賽題增加了方案指導(dǎo)性意見(jiàn)，改造為如下綜合設(shè)計(jì)性題目。

以STM32F103ZET6為控制核心，采用圖1所示的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)一采用非接觸式傳感的電流信號(hào)檢測(cè)裝置，檢測(cè)環(huán)路電流信號(hào)的幅度及頻率，并將信號(hào)的參數(shù)顯示出來(lái)。其中電感線圈為可均衡感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流錳鋅鐵氧體綠環(huán)高導(dǎo)磁率的電感線圈，規(guī)格為63×38×20。功放電路可以在以LM386低電壓功率音頻放大器、TDA2009音頻放大器、LM1875音頻放大器為核心元件的方案中選擇;電流峰峰值檢測(cè)電路則可以采用LM358雙路運(yùn)算放大器或者OPA690ID高帶寬電壓反饋型運(yùn)算放大器，也可以采用TSH4551低噪聲精密全差分運(yùn)放和均方根值專測(cè)芯片AD637為核心元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

（1）功率放大電路當(dāng)輸入正弦信號(hào)頻率范圍為50Hz-1kHz時(shí)，要求流過(guò)10Ω負(fù)載電阻的電流峰峰值不小于1A，電流信號(hào)無(wú)失真。

（2）電流峰峰值范圍為5mA-1A，電流測(cè)量精度優(yōu)于5%，頻率測(cè)量精度優(yōu)于1%。任意波信號(hào)發(fā)生器輸出非正弦信號(hào)時(shí)，基波頻率范圍為50Hz-200Hz，測(cè)量電流信號(hào)基波頻率，頻率測(cè)量精度優(yōu)于0.99%;測(cè)量基本及各次諧波分量的幅度（振幅值），電流諧波測(cè)量頻率不超過(guò)1kHz，測(cè)量精度優(yōu)于5%。

完成設(shè)計(jì)后，提供相應(yīng)電路圖，計(jì)算，測(cè)試結(jié)果并分析最終達(dá)到或者未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的原因并給出可能的改進(jìn)方案。

三、設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)例

1.功率放大電路設(shè)計(jì)。

以采用LM1875音頻放大器為核心元件的方案為例，學(xué)生設(shè)計(jì)的功放電路圖如圖2所示。本方案具有過(guò)載保護(hù)與假釋電路的熱保護(hù)包括內(nèi)部電流限制和熱高電流能力，并且具有高增益高壓擺率，大功率高帶寬等優(yōu)勢(shì)，該方案在信號(hào)保真度性能上較有優(yōu)勢(shì)。

2.電流峰峰值檢測(cè)電路。

學(xué)生分別采用LM358雙路運(yùn)算放大器、OPA690ID高帶寬電壓反饋型運(yùn)算放大器以及TSH4551低噪聲精密全差分運(yùn)放和均方根值專測(cè)芯片AD637為核心元件，設(shè)計(jì)了不同的檢測(cè)電路方案，完成了電路設(shè)計(jì)。其中采用TSH4551和AD637的方案在信號(hào)分辨率、信號(hào)干擾、波形失真等方面性能良好，其相關(guān)電路圖如圖3所示。

3.諧波分量測(cè)量方法的分析和計(jì)算。

采用單片機(jī)內(nèi)部高速12位adc對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期采樣，信號(hào)通過(guò)比較器輸出方波，單片機(jī)捕獲兩次上升沿的時(shí)間得到信號(hào)周期，在每個(gè)周期中通過(guò)定時(shí)器，使用adc采集128個(gè)點(diǎn)，做到全周期采樣，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算，得出基諧波的值。

4.實(shí)物及測(cè)試結(jié)果。

學(xué)生完成的實(shí)物如圖4所示，測(cè)試結(jié)果示例如表1所列。

5.測(cè)試結(jié)果分析。

設(shè)計(jì)完成了大部分指標(biāo)和功能。當(dāng)正弦型號(hào)輸入頻率范圍為50HZ-1KHZ時(shí)，過(guò)10Ω，負(fù)載電阻峰峰值大于1A;通過(guò)電感線圈獲取信號(hào)后能檢測(cè)并顯示信號(hào)峰峰值及頻率;電流峰峰值范圍為5mA-1A，電流測(cè)量精度優(yōu)于5%，頻率測(cè)量精度僅在5%，與題目要求有差距。輸入任意非正弦波時(shí)，基波頻率范圍在50Hz-200Hz，基波頻率測(cè)量精度小于0.99%，二次諧波分量精度為5%，更高次諧波分量暫未測(cè)出。

四、結(jié)語(yǔ)

按照深度課賽結(jié)合的思路對(duì)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造，學(xué)生反應(yīng)積極良好，證明該思路是有價(jià)值的，后續(xù)將持續(xù)進(jìn)行相關(guān)工作，進(jìn)一步提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

本論文及相關(guān)工作受重慶市高等教育教學(xué)改革重大項(xiàng)目171014支持。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知，教高司函[2017]6號(hào).

[2]“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)，高等工程教育研究，2017年第1期，10-11，2017.

[3]吳愛(ài)華，侯永峰，楊秋波，郝杰，加快發(fā)展和建設(shè)新工科 主動(dòng)適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)，高等工程教育研究，2017年第1期，1-9，2017.

[4]“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線（天大行動(dòng)），高等工程教育研究，2017年4月優(yōu)先出版，24-25，2017.

[5]教育部工業(yè)和信息化部中國(guó)工程院關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)，教高〔2018〕3號(hào).