“电子技术”课程设计的项目化教学改革探索.docx

“电子技术”课程设计的项目化教学改革探索 朱栋 冯成涛 储开斌 摘 要 为提高应用型本科院校电子工程专业学生对“电路分析”“模拟电子技术”“数字电子技术”等课程中理论学问的应用力量，在“电子技术”课程设计这门实践类课程中，以数字化超声波发生器电路为案例，引入工程化教学方法。超声波发生器涵盖“三电”课程、“EDA技术”课程、“数字信号处理”课程中多个重要学问点，其电路工作原理为振荡电路与超声波换能器组成RLC串联谐振电路，并利用反应环掌握振荡电路的频率以实现换能器谐振频率的跟踪。经过该工程的实践，能够极大地加深学生对电路理论的理解、提高对电路相关开发软件与常规仪器仪表的应用力量，能使学生初步具备解决简单工程问题的力量，课程所导向的教学目标明确，契合工程教育的要求与理念。 关键词 “电子技术”课程设计;工程化教学;数字化超声波发生器;教学改革 “电子技术”课程设计是为提高电子工程及相关专业本科学生理论应用力量和实践力量而开设的重要课程之一。近年来，由于本科学生的考研压力与日俱增，学生往往更注意理论学问的学习，而无视实践类课程对实践力量的提升作用。相反，国外一流大学，本科阶段毕业所需的总学分只有120分左右，更多地鼓舞学生参与实践活动。国内一些学者已经利用工程化教学法对该课程进展了特别有意义的探究与改革，如围绕“以学生为主体，以教师为主导”的现代教育理念进展选题、设计过程、评价体系优化的讨论1，采纳CDIO工程教育模式的工程教学法，将题目的设计分为课题分析和方案论证、方案设计、方案实现和总结及成果展现四个阶段来组织教学的讨论2，基于Knowledge-Ability-Quality（KAQ）理论的工程教学法探究3，基于虚拟仿真的教学方案改革4。 上述文献均侧重教学理论和教学方法的讨论，本文则针对“电子技术”课程设计的课题新奇性的缺乏，引入超声波发生器这样的实际工程案例。经过详细案例的磨炼，学生能把平常学习的理论学问运用到实践中来，通过实践又能加深理论的认知，真正让高等教学达成认知实践认知的闭环回路。 一、问题提出的历史背景 超声波发生器把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频沟通电信号，去驱动超声波换能器。目前，市场上的超声波发生器多以模拟式超声波发生器为主，这种模拟式超声波发生器具有牢靠性差、转换效率低、跟频效果差等诸多缺点，已经很难胜任日益高速化的工业生产焊接需求。 而采纳数字电路的超声波发生器，能够更好地消退超声波换能器温度漂移等常见模拟机难以克制的缺点，可便利快捷地进展参数的制定与调整，能够通过转变程序软件敏捷调整掌握方案以及实现多种新型掌握策略，同时可削减元件的数量、简化硬件构造，从而提高系统的牢靠性，而且还可以实现人机交互、远程掌握、故障在线监测和自动诊断。 数字式发生器具有更长的使用寿命、更高的转换效率、更准确的频率掌握，以及便于实现数字化掌握等优点。目前，数字式超声波发生器多以单片机作为主控处理器产生脉冲宽度调制（PWM）波，结合最大电流搜寻法实现频率跟踪5，6，基于FPGA（现场可编程门阵列）的数字化频率高辨别率的超声波发生器工程能够实现输出信号频率的准确掌握、换能器电压与电流相位差的准确测量和频率的快速跟踪，对学生理论功底的夯实、应用力量的提高、创新思维的培育都有明显的推动作用。 二、数字化超声波发生器电路设计 基于FPGA的数字化超声波发生器电路主要由现场可编程门阵列（FPGA）数字规律电路、模拟的驱动/转换电路和单片机三大局部组成，如图1所示，其核心局部是FPGA数字规律电路，难点在于频率掌握字的反应掌握。 数字化超声波发生器电路的工作原理为：FPGA片上DDS依据频率掌握字K产生对应频率的正弦波，将正弦波与某一电平进展电平比拟并产生具有肯定占空比的数字方波;数字方波经功率放大与隔离电路处理后驱动超声波换能器，将超声波换能器的电压、电流信号转换成规律方波送到FPGA内测量它们的相位差;再依据电压与电流的相位差测量结果，调整频率掌握字K，转变输出方波的频率，以减小电压与电流之间相位差。通过这样的闭环反应迭代，使超声波换能器始终工作在其谐振频率点上，解决换能器随环境温度谐振频点漂移问题。调整正弦波的比拟电平就可以转变换能器上所获得的电压的有效值，從而调整整机的输出功率。 FPGA内的数字规律电路主要功能是基于直接数字频率合成器（DDS）产生驱动超声换能器的具有肯定频率和占空比的数字规律方波信号，以及测量超声波换能器电压与电流的相位差，并依据相位差测量结果反应掌握DDS的输出频率。涉及DDS的根本原理、快速傅里叶变换（FFT）的原理、有限冲击响应（FIR）滤波器、坐标旋转数字计算（CORDIC）算法测相角等重要学问点，以及利用硬件描述语言（HDL）编程语言实现滑窗均值求解等常用的信号平滑和去噪手段。 模拟电路局部的主要功能是对驱动信号进展放大，并使用变压器隔离的方式驱动超声波换能器。同时，对超声波换能器两端电压及其电流进展比例缩小，以适应低压的运算放大器，并基于运算放大器构成比拟器产生电压/电流规律电平方波。该局部涉及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率放大电路、全桥整流的AC-DC转换、变压器、电流电压转换电路、运算放大器电路等模电课程的重要学问点。使用IGBT功率管，需要专用的隔离驱动芯片。让学生查阅驱动芯片的相关英文资料。通过阅读英文资料，还能提高学生专业英语的理解和写作水平。 如图1所示的数字化超声波发生器电路，其创新点在于：（1）利用DDS作为频率源，DDS产生的正弦波频率辨别高，且频率调整便利，有助于学生理解DDS的原理。正弦波经过比拟器得到数字方波，转变比拟电平就能转变数字方波的占空比，从而调整超声波换能器上的电压有效值;（2）利用数字方波去驱动超声波换能器，数字方波能够使IGBT功率管工作在截止区和饱和区，驻留在放大区的时间特别短，这样大大降低了功率管上消耗的功率，减小了发热量，使学生在电路设计的时候有意识地考虑电路的功耗等因素;（3）利用快速傅里叶变换测量正弦波的相角，测量精度更高，同时有助于学生理解傅里叶变换的本质就是时频域变换，加深对数字信号处理理论的理解和应用。 基于上述创新点，数字化超声波发生器电路具有超声波频率辨别率高、快速自动跟频、配置敏捷、整机发热量小等优势，能够应用于各种类型的超声波发生器。 此外，利用单片机为FPGA进展数字规律处理电路中参数值的初始化，FPGA内的参数接收模块通过通用输入输出（GPIO）口连接单片机的可编程IO口，以串行外设接口（SPI）总线方式（数据位、数据时钟、数据有效标志位）接收比拟电平、频率掌握字K初值、相位差比拟门限参数。单片机端编写模拟SPI串行总线传递参数的C语言程序，让学生快速把握单片机编程的根本力量。FPGA端的参数接收模块编写移位存放器和锁存器的HDL程序用于接收参数，使学生娴熟把握D触发器和延时存放器的应用。利用FPGA片内的全局时钟网络配置FPGA片内数字规律电路所使用的主时钟，削减时钟的存放器至存放器之间延时，使学生理解信号在存放器之间传输时所需满意的建立和保持时间的最低要求，学会FPGA时序约束的根本方法。 三、教学方案设计 该课程设计48学时，其中，教师理论课讲解8学时，每次2学时，依次讲解DDS原理与其IP核的应用、IGBT功率放大电路、快速傅里叶变换与其IP核的应用、CORDIC测角原理与其IP核的应用，学生在课后利用Multisim或Matlab软件完成相关电路或原理的仿真操作，理论课完毕后要求每位同学针对以上4个重要学问点完成一份关键技术讨论报告，并对每位学生的关键技术讨论报告进展打分，作为总评分的一环。试验课40学时，每次4学时，学生在教师的指导下在试验室制作实物，每次试验课配备两位指导教师。 考虑到高压局部的制作对于没有阅历的学生来说，有肯定触电危急性，因此模拟的功率放大电路只进展12V以下的放大，超声波换能器采纳等效的RLC串联电路来代替。整个超声波发生器电路可以由67位学生协作完成，分别完成FPGA编程（含方波产生局部、FFT局部、CORDIC测相角局部）、单片机编程、模拟电路（功放电路局部、电压/电流转换电路局部）。10次试验课大致规划为：前6次课学生分头完成各自研发任务;接下来的2次课完成整机的联调联试;最终2次课完成工程总结报告和汇报PPT，并进展现场汇报。每组电路总本钱大约150元，模拟电路所需元器件耗材大约50元，制版和电装费大约100元，其中FPGA开发板、单片机开发板可以重复使用，只需一次性投资。完成超声波发生器电路只需稳压电源、万用表、示波器、信号源、电烙铁等电工试验室最根本仪表和设备，无须添置仪器。每组设组长一名，除了担当相应的研发任务外，还要进展工程治理，包括建立团队例会、会议记录归档、中期检查、工程结题验收等过程治理制度。最终，对每组的实物和报告进展打分，同时结合每位学生的关键技术讨论报告得分，给出各位学生总评成绩。 综上所述，数字化超声波发生器电路所需要的开发平台，其硬件局部包括FPGA开发板、单片机开发板以及一些根底的仪器仪表，软件局部包括用于仿真的Matlab和Multisim，用于FPGA和单片机开发的Quartus和Keil软件，以及用于PCB板設计的Cadence。 四、达成度评价 从理论分析力量、开发软件应用力量、数字规律电路设计力量、模拟电路设计力量、文档制作与汇报力量五大工程建立达成度评价标准，每项各占总达成度的20%。每一大项又有许多分项，如理论分析力量大项包括DDS原理、FFT原理、FIR滤波器、CORDIC原理4个子项;开发软件应用力量大项包括Quartus、Keil、Matlab、Multisim、Cadence5个子项;数字规律电路设计力量大项包括HDL编程、IP调用、时序约束、层次化设计4个子项;模拟电路设计力量大项包括全桥整流电路、晶体管功放电路、运算放大器电路、隔离与爱护电路4个子项;文档制作与汇报力量大项包括文档的完整性、文档的标准性、PPT、口头汇报、现场质疑应变5个子项。最终，依据各个子项的得分，累计得出总达成度。另外，制作调查问卷，依据学生对于本课程新案例实施过程的反应意见，做到持续改良，不断优化整个课程。 五、结语 作为工程化“电子技术”课程设计教学改革的探究，数字化超声波发生器电路能够提升学生全方位的力量，首先能把书本上枯燥的电路谐振、晶体管放大电路、傅里叶变换等理论学问生动现实地呈现在学生面前，让他们对理论的理解更加深刻;其次，能够提高学生搭建实际模拟电路、数字规律电路的力量，在电路的构建过程中不仅要考虑技术可行性，还要考虑散热、耐压、时序约束等实际工程上必需考虑的问题，提高电路的牢靠性和鲁棒性;再次，提高学生的C语言和HDL语言的编程力量，重点培育学生的编程思维，而不用太关注高级语言的语法问题;最终，通过撰写报告、设计PPT、总结汇报等，提高学生的文字表达力量和语言沟通力量。通过这种简单工程的熬炼，不仅能够将本科阶段所学学问点串联成一张学问网，还能使学生从中真正获得解决实际工程问题的力量，提高他们的团队协作精神，提升学生使用工程中常用开发和仿真软件的娴熟度，提高学生工程过程治理力量，提高学生英文资料的阅读力量，全面提升他们在工程工程中所需的各种力量。