创设问题环境下的谐振型电路教学方案设计

周玉斐

摘要：本文以课题为载体，设计基于谐振型电路的设计性、综合性、创新性实验。以课题为载体，为学生创建能够激发学习兴趣的环境，随之引入教学内容，加深对基本概念、基本原理的理解，实现系统的实验理论、方法和技能的培养，从而建立理论结合实践的优良教学环境。

关键词：电路教学；谐振型电路；实验装置；课程设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）02-0187-02

一、前言

国务院《关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中明确指出：“实行素质教育要以培养学生的创新精神和实践能力为重点”，“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业能力”，并要求“加强课程的综合性和实践性，重视实验课教学，培养学生的实际操作能力”。电路实验课程能有效连接电路理论和工程实践，培养学生掌握科学的实验方法，提高动手能力[1-4]。传统实验教学过于强调接受学习、机械学习、死记硬背，忽视了学生通过什么样的方法和策略来学习，一知半解、死记硬背，掩盖了学生学习中存在的问题，致使学生的学习缺陷、知识缺陷暴露在以后的就业和工作中。主要表现如下：（1）传统的试验箱设计使学生对元器件封装和参数等一无所知，通过裸露的插孔完成实验，无法参与实验调试和故障排除。（2）实验箱中电路模块不可调，只能按已有模块进行实验。这些都遏制了学生的创新和工程实践能力的发展。

本文针对教学改革中如何将教学和实践有效结合，以及如何实现实验型教学的灵活、有效的操作程序等关键问题，开展基于创设问题的谐振型电路的设计性、综合性、创新性实驗研究和建设，进行关于相关实验教学方法的设计和具体实施。本文介绍谐振型电路教学实验装置设计、实验平台及相关实验课程设置。通过巧妙构思和灵活设置，使学生理解并熟悉谐振型电路的工作原理和相关技术，提高本专业学生的实践能力、创新能力和综合应用能力。

二、教学实验装置系统设计

谐振型电路的结构如图1所示。交流方波电压或电流加在谐振网络两端，产生高频谐振，谐振电压或电流经过整流和滤波后，转变成直流电压或电流，从而实现DC/DC转换。

设计的谐振型电路模块是具有同步整流电路的半桥LLC谐振DC/DC转换器，其电气参数如下：

1.输入电压：Vin=375-405VDC

2.额定输出功率：Po=300W

3.输出电压：Vo=12VDC

4.额定输出电流：25A

5.输出电压负载稳压：≤1%

6.输出电压峰值至峰值纹波：≤120mV

7.效率：>90%

8.开关频率：fs=80kHz-150kHz

9.谐振频率：fr=130kHz

设计框图如图2所示。

电路按功能分成不同区块的功能组，可以实现每次一个部分的单独调试和测试。所有脉宽调制（PWM）和模数转换器（ADC）信号已经设计了指定的测试点。

区块1：主板区——包含具有同步整流的隔离谐振LLC DC/DC功率电路、控制板插槽、电源接头等。

区块2：辅助电源区——包含12V DC电源、一个外部DC电源生成12V—15V，5V和3.3V DC电源。

区块3：通信接口区——包含通过USB提供到主机的板载隔离JTAG连接并提供隔离SCI（UART）通信。

三、实验科目设计

该谐振型变换器模块教学实验装置充分采用模块化设计思想与组件架构原则。测试板部分作为母板，主功率电路和辅助电源等均设计为独立电路模块，既可分开单独调试，设计实验环节；也可进行多种组合，完成综合性功能实验。以下为构建的实验示例。

构建1：用于检查DC/DC级功能性的开环运行。构建的目标如下：（1）验证PWM和ADC信号运转正常；（2）验证电路板上的功率级运转正常；（3）手动控制电路板上功率级的周期（频率的倒数），并且评估其输出。

构建2：DC/DC级的闭环运行。构建的目标为使用PID控制来调节具有闭环反馈的输出电压。

构建3：模拟比较器被启用时的DC/DC级闭环运行。构建的目标为使用模拟比较器根据同步整流电流电平来动态地调整同步整流PWM关闭时序。

通过设置程序中的变量即可控制和监视支持同步整流的半桥LLC谐振DC/DC转换器。

实验科目的设置遵循先易后难、先局部后整体，使学生能够循序渐进地锻炼。各实验均给出清晰的原理说明，统一的指标要求与检验标准，不限定解决办法，鼓励不同的解决思路，充分发挥学生的主观能动性与创造性。实验既有基础部分也有提高部分，既顾及学生的平均水平，达到普遍锻炼的目的，也充分调动了能力突出学生的积极性，具有一定的挑战性。

参照以上实验科目设计原则，我们制订了适合本实验装置的实验指导。首先安排一个简单的器件性能测试，旨在熟悉有源器件和无源器件的工作特点和封装、了解开关器件驱动的设置方法。其次进行DC/DC级功能性的开环运行测试，主要是PWM和ADC的测试和调试，包括逻辑控制电路、调制电流控制电路和手动调试功率级的周期。最后为DC/DC级的闭环运行测试，包括使用PID控制来调节具有闭环反馈的输出电压等。各实验的指导手册均包括预习知识、实验目的、实验介绍、实验条件、基础部分、提高部分、测试表格和实验记录等。

四、总结

功率开关变换系统是一门理论与实践紧密结合的课程。我们设计了一套针对具体应用背景的谐振型电路教学实验装置，并将装置按照实验需要分区块设计，并设计不同层次的实验科目，能够锻炼学生的实践动手能力、创新品质、综合运用能力等，鼓励学生发挥自己的主观能动性与创造性来解决问题。

参考文献：

[1]曾庆国.电路教学改革与优化探索[J].教育教学论坛，2016，18（5）：113-114.

[2]陈希有，刘凤春，牟宪民，周宇翔.非接触式电能传输之阻抗变换作为电路教学案例[J].电气电子教学学报，2017，39（1）：70-73.

[3]李晓冬，李淑明.“互联网+”背景下基础电路实验教学改革研究[J].教育现代化，2017，46（11）：41-42.

[4]王金玉，付光杰，姜春雷.EDA技术与电子实验教学的有机结合[J].实验技术与管理，2012，29（12）：170-172.

Abstract：In this paper，we design a comprehensive and innovative experiment based on resonant circuit.Taking the subject as the carrier，creating an environment that can stimulate the students' interest in learning，then introducing the teaching content，deepening the understanding of the basic concepts and principles，realizing the cultivation of systematic experimental theory，methods and skills.In order to establish a good teaching environment combining theory with practice.

Key words：circuit teaching；resonant circuit；experimental device；course design