“電子技術(shù)”課程設(shè)計的項目化教學(xué)改革探索

朱棟 馮成濤 儲開斌

[摘 要] 為提高應(yīng)用型本科院校電子工程專業(yè)學(xué)生對“電路分析”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等課程中理論知識的應(yīng)用能力，在“電子技術(shù)”課程設(shè)計這門實(shí)踐類課程中，以數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路為案例，引入項目化教學(xué)方法。超聲波發(fā)生器涵蓋“三電”課程、“EDA技術(shù)”課程、“數(shù)字信號處理”課程中多個重要知識點(diǎn)，其電路工作原理為振蕩電路與超聲波換能器組成RLC串聯(lián)諧振電路，并利用反饋環(huán)控制振蕩電路的頻率以實(shí)現(xiàn)換能器諧振頻率的跟蹤。經(jīng)過該項目的實(shí)踐，能夠極大地加深學(xué)生對電路理論的理解、提高對電路相關(guān)開發(fā)軟件與常規(guī)儀器儀表的應(yīng)用能力，能使學(xué)生初步具備解決復(fù)雜工程問題的能力，課程所導(dǎo)向的教學(xué)目標(biāo)明確，契合工程教育的要求與理念。

[關(guān)鍵詞] “電子技術(shù)”課程設(shè)計;項目化教學(xué);數(shù)字化超聲波發(fā)生器;教學(xué)改革

“電子技術(shù)”課程設(shè)計是為提高電子工程及相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生理論應(yīng)用能力和實(shí)踐能力而開設(shè)的重要課程之一。近年來，由于本科學(xué)生的考研壓力與日俱增，學(xué)生往往更注重理論知識的學(xué)習(xí)，而忽視實(shí)踐類課程對實(shí)踐能力的提升作用。相反，國外一流大學(xué)，本科階段畢業(yè)所需的總學(xué)分只有120分左右，更多地鼓勵學(xué)生參加實(shí)踐活動。國內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)利用項目化教學(xué)法對該課程進(jìn)行了非常有意義的探索與改革，如圍繞“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的現(xiàn)代教育理念進(jìn)行選題、設(shè)計過程、評價體系優(yōu)化的研究[1]，采用CDIO工程教育模式的項目教學(xué)法，將題目的設(shè)計分為課題分析和方案論證、方案設(shè)計、方案實(shí)現(xiàn)和總結(jié)及成果展示四個階段來組織教學(xué)的研究[2]，基于Knowledge-Ability-Quality（KAQ）理論的項目教學(xué)法探索[3]，基于虛擬仿真的教學(xué)方案改革[4]。

上述文獻(xiàn)均側(cè)重教學(xué)理論和教學(xué)方法的研究，本文則針對“電子技術(shù)”課程設(shè)計的課題新穎性的不足，引入超聲波發(fā)生器這樣的實(shí)際工程案例。經(jīng)過具體案例的磨煉，學(xué)生能把平時學(xué)習(xí)的理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中來，通過實(shí)踐又能加深理論的認(rèn)知，真正讓高等教學(xué)達(dá)成認(rèn)知—實(shí)踐—認(rèn)知的閉環(huán)回路。

一、問題提出的歷史背景

超聲波發(fā)生器把市電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，去驅(qū)動超聲波換能器。目前，市場上的超聲波發(fā)生器多以模擬式超聲波發(fā)生器為主，這種模擬式超聲波發(fā)生器具有可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低、跟頻效果差等諸多缺點(diǎn)，已經(jīng)很難勝任日益高速化的工業(yè)生產(chǎn)焊接需求。

而采用數(shù)字電路的超聲波發(fā)生器，能夠更好地消除超聲波換能器溫度漂移等常見模擬機(jī)難以克服的缺點(diǎn)，可方便快捷地進(jìn)行參數(shù)的制定與調(diào)節(jié)，能夠通過改變程序軟件靈活調(diào)整控制方案以及實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時可減少元件的數(shù)量、簡化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，而且還可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制、故障在線監(jiān)測和自動診斷。

數(shù)字式發(fā)生器具有更長的使用壽命、更高的轉(zhuǎn)換效率、更精確的頻率控制，以及便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制等優(yōu)點(diǎn)。目前，數(shù)字式超聲波發(fā)生器多以單片機(jī)作為主控處理器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（PWM）波，結(jié)合最大電流搜索法實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤[5，6]，基于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的數(shù)字化頻率高分辨率的超聲波發(fā)生器項目能夠?qū)崿F(xiàn)輸出信號頻率的精確控制、換能器電壓與電流相位差的精確測量和頻率的快速跟蹤，對學(xué)生理論功底的夯實(shí)、應(yīng)用能力的提高、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都有明顯的推動作用。

二、數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路設(shè)計

基于FPGA的數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路主要由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）數(shù)字邏輯電路、模擬的驅(qū)動/轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)三大部分組成，如圖1所示，其核心部分是FPGA數(shù)字邏輯電路，難點(diǎn)在于頻率控制字的反饋控制。

數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路的工作原理為：FPGA片上DDS根據(jù)頻率控制字K產(chǎn)生對應(yīng)頻率的正弦波，將正弦波與某一電平進(jìn)行電平比較并產(chǎn)生具有一定占空比的數(shù)字方波;數(shù)字方波經(jīng)功率放大與隔離電路處理后驅(qū)動超聲波換能器，將超聲波換能器的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成邏輯方波送到FPGA內(nèi)測量它們的相位差;再根據(jù)電壓與電流的相位差測量結(jié)果，調(diào)節(jié)頻率控制字K，改變輸出方波的頻率，以減小電壓與電流之間相位差。通過這樣的閉環(huán)反饋迭代，使超聲波換能器始終工作在其諧振頻率點(diǎn)上，解決換能器隨環(huán)境溫度諧振頻點(diǎn)漂移問題。調(diào)節(jié)正弦波的比較電平就可以改變換能器上所獲得的電壓的有效值，從而調(diào)節(jié)整機(jī)的輸出功率。

FPGA內(nèi)的數(shù)字邏輯電路主要功能是基于直接數(shù)字頻率合成器（DDS）產(chǎn)生驅(qū)動超聲換能器的具有一定頻率和占空比的數(shù)字邏輯方波信號，以及測量超聲波換能器電壓與電流的相位差，并根據(jù)相位差測量結(jié)果反饋控制DDS的輸出頻率。涉及DDS的基本原理、快速傅里葉變換（FFT）的原理、有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）算法測相角等重要知識點(diǎn)，以及利用硬件描述語言（HDL）編程語言實(shí)現(xiàn)滑窗均值求解等常用的信號平滑和去噪手段。

模擬電路部分的主要功能是對驅(qū)動信號進(jìn)行放大，并使用變壓器隔離的方式驅(qū)動超聲波換能器。同時，對超聲波換能器兩端電壓及其電流進(jìn)行比例縮小，以適應(yīng)低壓的運(yùn)算放大器，并基于運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器產(chǎn)生電壓/電流邏輯電平方波。該部分涉及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率放大電路、全橋整流的AC-DC轉(zhuǎn)換、變壓器、電流—電壓轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大器電路等模電課程的重要知識點(diǎn)。使用IGBT功率管，需要專用的隔離驅(qū)動芯片。讓學(xué)生查閱驅(qū)動芯片的相關(guān)英文資料。通過閱讀英文資料，還能提高學(xué)生專業(yè)英語的理解和寫作水平。

如圖1所示的數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：（1）利用DDS作為頻率源，DDS產(chǎn)生的正弦波頻率分辨高，且頻率調(diào)節(jié)方便，有助于學(xué)生理解DDS的原理。正弦波經(jīng)過比較器得到數(shù)字方波，改變比較電平就能改變數(shù)字方波的占空比，從而調(diào)節(jié)超聲波換能器上的電壓有效值;（2）利用數(shù)字方波去驅(qū)動超聲波換能器，數(shù)字方波能夠使IGBT功率管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，駐留在放大區(qū)的時間非常短，這樣大大降低了功率管上消耗的功率，減小了發(fā)熱量，使學(xué)生在電路設(shè)計的時候有意識地考慮電路的功耗等因素;（3）利用快速傅里葉變換測量正弦波的相角，測量精度更高，同時有助于學(xué)生理解傅里葉變換的本質(zhì)就是時頻域變換，加深對數(shù)字信號處理理論的理解和應(yīng)用。

基于上述創(chuàng)新點(diǎn)，數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路具有超聲波頻率分辨率高、快速自動跟頻、配置靈活、整機(jī)發(fā)熱量小等優(yōu)勢，能夠應(yīng)用于各種類型的超聲波發(fā)生器。

此外，利用單片機(jī)為FPGA進(jìn)行數(shù)字邏輯處理電路中參數(shù)值的初始化，F(xiàn)PGA內(nèi)的參數(shù)接收模塊通過通用輸入輸出（GPIO）口連接單片機(jī)的可編程IO口，以串行外設(shè)接口（SPI）總線方式（數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)時鐘、數(shù)據(jù)有效標(biāo)志位）接收比較電平、頻率控制字K初值、相位差比較門限參數(shù)。單片機(jī)端編寫模擬SPI串行總線傳遞參數(shù)的C語言程序，讓學(xué)生快速掌握單片機(jī)編程的基本能力。FPGA端的參數(shù)接收模塊編寫移位寄存器和鎖存器的HDL程序用于接收參數(shù)，使學(xué)生熟練掌握D觸發(fā)器和延時寄存器的應(yīng)用。利用FPGA片內(nèi)的全局時鐘網(wǎng)絡(luò)配置FPGA片內(nèi)數(shù)字邏輯電路所使用的主時鐘，減少時鐘的寄存器至寄存器之間延時，使學(xué)生理解信號在寄存器之間傳輸時所需滿足的建立和保持時間的最低要求，學(xué)會FPGA時序約束的基本方法。

三、教學(xué)方案設(shè)計

該課程設(shè)計48學(xué)時，其中，教師理論課講解8學(xué)時，每次2學(xué)時，依次講解DDS原理與其IP核的應(yīng)用、IGBT功率放大電路、快速傅里葉變換與其IP核的應(yīng)用、CORDIC測角原理與其IP核的應(yīng)用，學(xué)生在課后利用Multisim或Matlab軟件完成相關(guān)電路或原理的仿真操作，理論課結(jié)束后要求每位同學(xué)針對以上4個重要知識點(diǎn)完成一份關(guān)鍵技術(shù)研究報告，并對每位學(xué)生的關(guān)鍵技術(shù)研究報告進(jìn)行打分，作為總評分的一環(huán)。實(shí)驗(yàn)課40學(xué)時，每次4學(xué)時，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下在實(shí)驗(yàn)室制作實(shí)物，每次實(shí)驗(yàn)課配備兩位指導(dǎo)教師。

考慮到高壓部分的制作對于沒有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說，有一定觸電危險性，因此模擬的功率放大電路只進(jìn)行12V以下的放大，超聲波換能器采用等效的RLC串聯(lián)電路來代替。整個超聲波發(fā)生器電路可以由6～7位學(xué)生協(xié)作完成，分別完成FPGA編程（含方波產(chǎn)生部分、FFT部分、CORDIC測相角部分）、單片機(jī)編程、模擬電路（功放電路部分、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路部分）。10次實(shí)驗(yàn)課大致計劃為：前6次課學(xué)生分頭完成各自研發(fā)任務(wù);接下來的2次課完成整機(jī)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試;最后2次課完成項目總結(jié)報告和匯報PPT，并進(jìn)行現(xiàn)場匯報。每組電路總成本大約150元，模擬電路所需元器件耗材大約50元，制版和電裝費(fèi)大約100元，其中FPGA開發(fā)板、單片機(jī)開發(fā)板可以重復(fù)使用，只需一次性投資。完成超聲波發(fā)生器電路只需穩(wěn)壓電源、萬用表、示波器、信號源、電烙鐵等電工實(shí)驗(yàn)室最基本儀表和設(shè)備，無須添置儀器。每組設(shè)組長一名，除了承擔(dān)相應(yīng)的研發(fā)任務(wù)外，還要進(jìn)行項目管理，包括建立團(tuán)隊例會、會議記錄歸檔、中期檢查、項目結(jié)題驗(yàn)收等過程管理制度。最后，對每組的實(shí)物和報告進(jìn)行打分，同時結(jié)合每位學(xué)生的關(guān)鍵技術(shù)研究報告得分，給出各位學(xué)生總評成績。

綜上所述，數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路所需要的開發(fā)平臺，其硬件部分包括FPGA開發(fā)板、單片機(jī)開發(fā)板以及一些基礎(chǔ)的儀器儀表，軟件部分包括用于仿真的Matlab和Multisim，用于FPGA和單片機(jī)開發(fā)的Quartus和Keil軟件，以及用于PCB板設(shè)計的Cadence。

四、達(dá)成度評價

從理論分析能力、開發(fā)軟件應(yīng)用能力、數(shù)字邏輯電路設(shè)計能力、模擬電路設(shè)計能力、文檔制作與匯報能力五大項目建立達(dá)成度評價標(biāo)準(zhǔn)，每項各占總達(dá)成度的20%。每一大項又有很多分項，如理論分析能力大項包括DDS原理、FFT原理、FIR濾波器、CORDIC原理4個子項;開發(fā)軟件應(yīng)用能力大項包括Quartus、Keil、Matlab、Multisim、Cadence5個子項;數(shù)字邏輯電路設(shè)計能力大項包括HDL編程、IP調(diào)用、時序約束、層次化設(shè)計4個子項;模擬電路設(shè)計能力大項包括全橋整流電路、晶體管功放電路、運(yùn)算放大器電路、隔離與保護(hù)電路4個子項;文檔制作與匯報能力大項包括文檔的完整性、文檔的規(guī)范性、PPT、口頭匯報、現(xiàn)場質(zhì)疑應(yīng)變5個子項。最終，根據(jù)各個子項的得分，累計得出總達(dá)成度。另外，制作調(diào)查問卷，根據(jù)學(xué)生對于本課程新案例實(shí)施過程的反饋意見，做到持續(xù)改進(jìn)，不斷優(yōu)化整個課程。

五、結(jié)語

作為項目化“電子技術(shù)”課程設(shè)計教學(xué)改革的探索，數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路能夠提升學(xué)生全方位的能力，首先能把書本上枯燥的電路諧振、晶體管放大電路、傅里葉變換等理論知識生動現(xiàn)實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓他們對理論的理解更加深刻;其次，能夠提高學(xué)生搭建實(shí)際模擬電路、數(shù)字邏輯電路的能力，在電路的構(gòu)建過程中不僅要考慮技術(shù)可行性，還要考慮散熱、耐壓、時序約束等實(shí)際工程上必須考慮的問題，提高電路的可靠性和魯棒性;再次，提高學(xué)生的C語言和HDL語言的編程能力，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的編程思維，而不用太關(guān)注高級語言的語法問題;最后，通過撰寫報告、設(shè)計PPT、總結(jié)匯報等，提高學(xué)生的文字表達(dá)能力和語言溝通能力。通過這種復(fù)雜項目的鍛煉，不僅能夠?qū)⒈究齐A段所學(xué)知識點(diǎn)串聯(lián)成一張知識網(wǎng)，還能使學(xué)生從中真正獲得解決實(shí)際工程問題的能力，提高他們的團(tuán)隊協(xié)作精神，提升學(xué)生使用工程中常用開發(fā)和仿真軟件的熟練度，提高學(xué)生項目過程管理能力，提高學(xué)生英文資料的閱讀能力，全面提升他們在工程項目中所需的各種能力。

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