王藝 金輝 劉棋 羅元

【摘 要】新工科建設下，結合工程認證要求，圍繞電子信息技術人才培養(yǎng)，面向學生工程能力達成目標，提出一種課賽結合的“電子電路”實驗教學改革思路。將電子設計競賽賽題進行整理改造，成為實驗教學案例，供教學中使用。該方式有效地激發(fā)學生的學習興趣，提升學生實踐能力和創(chuàng)新意識，為學生解決復雜工程問題的能力培養(yǎng)起到積極作用。

【關鍵詞】課賽結合;新工科;電子電路

【中圖分類號】G642 ? ? ? 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）17-0003-02

一、新工科下深度課賽結合的電子電路實驗開發(fā)思路

2017年，復旦大學舉行的綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會達成了“‘新工科建設復旦共識”，提出要服務以新技術、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟發(fā)展，以產(chǎn)業(yè)需求為導向，發(fā)展一批新興工科專業(yè)和推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新[1][2][3]。隨后召開的兩輪新工科建設研討會，確定了包含3大目標7項行動的“新工科”建設行動路線[4]。2018年教育部發(fā)文實施“六卓越一拔尖”計劃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，對接新產(chǎn)業(yè)，服務新經(jīng)濟，既是當務之急，也是長遠之策?！半娮与娐贰笔歉咝Ｐ畔㈩?、電類專業(yè)的公共基礎課程，如何進行實驗設計，激發(fā)學生實踐興趣，挖掘學生實踐探索能力，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力成為新工科建設的重要內(nèi)容。

“電子電路”實驗案例開發(fā)，源于大學生電子設計競賽賽題，以工程實際問題為導向，從設計目標確定、設計方案選擇、軟硬件選擇與取舍、設計的樣機實現(xiàn)、實驗數(shù)據(jù)處理到實驗結果優(yōu)化，形成了一條完整的問題導向的思維途徑，能有效推動學生主動思考、激發(fā)學生實踐熱情、增強學生的實踐獲得感，促進學生解決復雜工程問題的能力培養(yǎng)。這種課賽結合，能力導向的案例開發(fā)，豐富了新工科建設下的實驗開發(fā)，為實踐類環(huán)節(jié)的建設提供了一種新的思路。

二、基于賽題改造的教學設計案例

本案例源于2018年TI杯大學生電子設計競賽A題，原題是電流信號檢測裝置（本科），賽題任務是由任意波信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)功率放大電路驅動后，通過導線連接10Ω電阻負載，形成一電流環(huán)路;設計一采用非接觸式傳感的電流信號檢測裝置，檢測環(huán)路電流信號的幅度及頻率，并將信號的參數(shù)顯示出來，具體要求可以分解為功率放大電路、電流傳感器、電流信號檢測分析電路的設計，但未給出其他相關參考信息。

由于賽題面向的是比較優(yōu)秀的大學生群體，而作為全覆蓋的電子電路設計類題目，需要進行適當改造，將本賽題增加了方案指導性意見，改造為如下綜合設計性題目。

以STM32F103ZET6為控制核心，采用圖1所示的電路設計系統(tǒng)框圖，設計一采用非接觸式傳感的電流信號檢測裝置，檢測環(huán)路電流信號的幅度及頻率，并將信號的參數(shù)顯示出來。其中電感線圈為可均衡感應電動勢和感應電流錳鋅鐵氧體綠環(huán)高導磁率的電感線圈，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;電流峰峰值檢測電路則可以采用LM358雙路運算放大器或者OPA690ID高帶寬電壓反饋型運算放大器，也可以采用TSH4551低噪聲精密全差分運放和均方根值專測芯片AD637為核心元件進行設計。設計指標為：

（1）功率放大電路當輸入正弦信號頻率范圍為50Hz-1kHz時，要求流過10Ω負載電阻的電流峰峰值不小于1A，電流信號無失真。

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

完成設計后，提供相應電路圖，計算，測試結果并分析最終達到或者未達到設計指標的原因并給出可能的改進方案。

三、設計結果實例

1.功率放大電路設計。

以采用LM1875音頻放大器為核心元件的方案為例，學生設計的功放電路圖如圖2所示。本方案具有過載保護與假釋電路的熱保護包括內(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，該方案在信號保真度性能上較有優(yōu)勢。

2.電流峰峰值檢測電路。

學生分別采用LM358雙路運算放大器、OPA690ID高帶寬電壓反饋型運算放大器以及TSH4551低噪聲精密全差分運放和均方根值專測芯片AD637為核心元件，設計了不同的檢測電路方案，完成了電路設計。其中采用TSH4551和AD637的方案在信號分辨率、信號干擾、波形失真等方面性能良好，其相關電路圖如圖3所示。

3.諧波分量測量方法的分析和計算。

采用單片機內(nèi)部高速12位adc對信號進行周期采樣，信號通過比較器輸出方波，單片機捕獲兩次上升沿的時間得到信號周期，在每個周期中通過定時器，使用adc采集128個點，做到全周期采樣，將得到的數(shù)據(jù)進行FFT計算，得出基諧波的值。

4.實物及測試結果。

學生完成的實物如圖4所示，測試結果示例如表1所列。

5.測試結果分析。

設計完成了大部分指標和功能。當正弦型號輸入頻率范圍為50HZ-1KHZ時，過10Ω，負載電阻峰峰值大于1A;通過電感線圈獲取信號后能檢測并顯示信號峰峰值及頻率;電流峰峰值范圍為5mA-1A，電流測量精度優(yōu)于5%，頻率測量精度僅在5%，與題目要求有差距。輸入任意非正弦波時，基波頻率范圍在50Hz-200Hz，基波頻率測量精度小于0.99%，二次諧波分量精度為5%，更高次諧波分量暫未測出。

四、結語

按照深度課賽結合的思路對多項實驗進行改造，學生反應積極良好，證明該思路是有價值的，后續(xù)將持續(xù)進行相關工作，進一步提升學生解決復雜工程問題的能力。

本論文及相關工作受重慶市高等教育教學改革重大項目171014支持。

參考文獻

[1]教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知，教高司函[2017]6號.

[2]“新工科”建設復旦共識，高等工程教育研究，2017年第1期，10-11，2017.

[3]吳愛華，侯永峰，楊秋波，郝杰，加快發(fā)展和建設新工科 主動適應和引領新經(jīng)濟，高等工程教育研究，2017年第1期，1-9，2017.

[4]“新工科”建設行動路線（天大行動），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)和信息化部中國工程院關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見，教高〔2018〕3號.