新工科下课赛结合的“电子电路”实验设计案例

王艺 金辉 刘棋 罗元

【摘 要】新工科建设下，结合工程认证要求，围绕电子信息技术人才培养，面向学生工程能力达成目标，提出一种课赛结合的“电子电路”实验教学改革思路。将电子设计竞赛赛题进行整理改造，成为实验教学案例，供教学中使用。该方式有效地激发学生的学习兴趣，提升学生实践能力和创新意识，为学生解决复杂工程问题的能力培养起到积极作用。

【关键词】课赛结合;新工科;电子电路

【中图分类号】G642       【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）17-0003-02

一、新工科下深度课赛结合的电子电路实验开发思路

2017年，复旦大学举行的综合性高校工程教育发展战略研讨会达成了“‘新工科建设复旦共识”，提出要服务以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济发展，以产業需求为导向，发展一批新兴工科专业和推动现有工科专业的改革创新[1][2][3]。随后召开的两轮新工科建设研讨会，确定了包含3大目标7项行动的“新工科”建设行动路线[4]。2018年教育部发文实施“六卓越一拔尖”计划2.0[5]。显然，将工程教育与产业发展紧密联系，发展“新工科”，培养新型工程科技人才，对接新产业，服务新经济，既是当务之急，也是长远之策。“电子电路”是高校信息类、电类专业的公共基础课程，如何进行实验设计，激发学生实践兴趣，挖掘学生实践探索能力，培养学生解决复杂工程问题能力成为新工科建设的重要内容。

“电子电路”实验案例开发，源于大学生电子设计竞赛赛题，以工程实际问题为导向，从设计目标确定、设计方案选择、软硬件选择与取舍、设计的样机实现、实验数据处理到实验结果优化，形成了一条完整的问题导向的思维途径，能有效推动学生主动思考、激发学生实践热情、增强学生的实践获得感，促进学生解决复杂工程问题的能力培养。这种课赛结合，能力导向的案例开发，丰富了新工科建设下的实验开发，为实践类环节的建设提供了一种新的思路。

二、基于赛题改造的教学设计案例

本案例源于2018年TI杯大学生电子设计竞赛A题，原题是电流信号检测装置（本科），赛题任务是由任意波信号发生器产生的信号经功率放大电路驱动后，通过导线连接10Ω电阻负载，形成一电流环路;设计一采用非接触式传感的电流信号检测装置，检测环路电流信号的幅度及频率，并将信号的参数显示出来，具体要求可以分解为功率放大电路、电流传感器、电流信号检测分析电路的设计，但未给出其他相关参考信息。

由于赛题面向的是比较优秀的大学生群体，而作为全覆盖的电子电路设计类题目，需要进行适当改造，将本赛题增加了方案指导性意见，改造为如下综合设计性题目。

以STM32F103ZET6为控制核心，采用图1所示的电路设计系统框图，设计一采用非接触式传感的电流信号检测装置，检测环路电流信号的幅度及频率，并将信号的参数显示出来。其中电感线圈为可均衡感应电动势和感应电流锰锌铁氧体绿环高导磁率的电感线圈，规格为63×38×20。功放电路可以在以LM386低电压功率音频放大器、TDA2009音频放大器、LM1875音频放大器为核心元件的方案中选择;电流峰峰值检测电路则可以采用LM358双路运算放大器或者OPA690ID高带宽电压反馈型运算放大器，也可以采用TSH4551低噪声精密全差分运放和均方根值专测芯片AD637为核心元件进行设计。设计指标为：

（1）功率放大电路当输入正弦信号频率范围为50Hz-1kHz时，要求流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，电流信号无失真。

（2）电流峰峰值范围为5mA-1A，电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%。任意波信号发生器输出非正弦信号时，基波频率范围为50Hz-200Hz，测量电流信号基波频率，频率测量精度优于0.99%;测量基本及各次谐波分量的幅度（振幅值），电流谐波测量频率不超过1kHz，测量精度优于5%。

完成设计后，提供相应电路图，计算，测试结果并分析最终达到或者未达到设计指标的原因并给出可能的改进方案。

三、设计结果实例

1.功率放大电路设计。

以采用LM1875音频放大器为核心元件的方案为例，学生设计的功放电路图如图2所示。本方案具有过载保护与假释电路的热保护包括内部电流限制和热高电流能力，并且具有高增益高压摆率，大功率高带宽等优势，该方案在信号保真度性能上较有优势。

2.电流峰峰值检测电路。

学生分别采用LM358双路运算放大器、OPA690ID高带宽电压反馈型运算放大器以及TSH4551低噪声精密全差分运放和均方根值专测芯片AD637为核心元件，设计了不同的检测电路方案，完成了电路设计。其中采用TSH4551和AD637的方案在信号分辨率、信号干扰、波形失真等方面性能良好，其相关电路图如图3所示。

3.谐波分量测量方法的分析和计算。

采用单片机内部高速12位adc对信号进行周期采样，信号通过比较器输出方波，单片机捕获两次上升沿的时间得到信号周期，在每个周期中通过定时器，使用adc采集128个点，做到全周期采样，将得到的数据进行FFT计算，得出基谐波的值。

4.实物及测试结果。

学生完成的实物如图4所示，测试结果示例如表1所列。

5.测试结果分析。

设计完成了大部分指标和功能。当正弦型号输入频率范围为50HZ-1KHZ时，过10Ω，负载电阻峰峰值大于1A;通过电感线圈获取信号后能检测并显示信号峰峰值及频率;电流峰峰值范围为5mA-1A，电流测量精度优于5%，频率测量精度仅在5%，与题目要求有差距。输入任意非正弦波时，基波频率范围在50Hz-200Hz，基波频率测量精度小于0.99%，二次谐波分量精度为5%，更高次谐波分量暂未测出。

四、结语

按照深度课赛结合的思路对多项实验进行改造，学生反应积极良好，证明该思路是有价值的，后续将持续进行相关工作，进一步提升学生解决复杂工程问题的能力。

本论文及相关工作受重庆市高等教育教学改革重大项目171014支持。

参考文献

[1]教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知，教高司函[2017]6号.

[2]“新工科”建设复旦共识，高等工程教育研究，2017年第1期，10-11，2017.

[3]吴爱华，侯永峰，杨秋波，郝杰，加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济，高等工程教育研究，2017年第1期，1-9，2017.

[4]“新工科”建设行动路线（天大行动），高等工程教育研究，2017年4月优先出版，24-25，2017.

[5]教育部工业和信息化部中国工程院关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见，教高〔2018〕3号.