验证式实验平台设计及教学应用

周文委 翁国庆 金燕

摘要：为加强电子类课程中的实践教学环节，设计了验证式实验平台，用于课内演示和课后探索。平台以硬件电路为基础，通过软件定义常用仪器测控界面，并可根据需要拓展仪器功能。这种软硬件结合的实验平台兼具便携性、通用性和低成本等特点，便于突破教学实验在时间和空间上的限制，既丰富了课内教学手段，又满足了学生课外实践能力培养的需求。

关键词：实验平台;FPGA;实践教学

中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0391-02

一、引言

在大力倡导应用型技能人才培养的今天，加强实践教学，提升学生实践动手能力是高等教育界的共识[1，2]。然而对于高度依赖电子仪器的电气信息类专业，一方面，受办学经费和实验场地等因素制约，难以给学生提供真正的开放实验室;另一方面，如何让学生加深对理论知识的认识和理解，有针对性地对那些抽象、难以理解的内容加以消化、吸收并灵活运用于未来的工作实践中，也是相对枯燥的课程教学中的重要课题。

参考文献[3]将Multisum仿真软件作为实验教学的一种辅助，将先进的EDA软件用于教学辅助，丰富了电子类课程的教学手段，但是EDA软件的电路仿真与实际电路的运行结果难免存在差异。本文引入虚拟仪器概念，设计软硬件相结合的实验平台，用于模拟电子技术课堂教学中的现场验证和课后自主探究，使得实验教学突破时间和空间的限制，形成教学与实践相融合、教学指导实践、实践反馈教学的机制。

二、验证式实验平台设计

为加强电子类课程中的实践教学环节，设计了通用性和便携性以适应各种教学场景的验证式实验平台，设计平台结构如图1所示。实验平台由硬件电路与通用PC机组成。硬件电路主要完成模拟信号的测控任务，PC机运行多功能测控软件，二者通过USB接口连接。多功能测控软件包含常用的示波器、函数发生器等功能并可根据实验任务拓展功能。这种设计使得用户只需携带小巧的硬件电路配合通用的PC机便可进行教学实验。

（一）平台硬件电路

验证式实验平台硬件包括测控电路和多路直流电源，配合可搭建实验电路的面包板。根据目前的教学现状与需要，采用FPGA配合模数、数模转换器和USB控制器的方案设计了具有函数发生与信号采集功能的测控电路。电路包含数字控制模块和模拟信号调理模块。模拟信号调理模块由两片12位ADC芯片AD9226实现双路信号同步采集，提供40MSPS的输出速率;两片16位DAC芯片DA9764构成双路信号同步输出，最高速率可达到125MSPS。数字控制模块以FPGA芯片作为测量控制器。FPGA提供ADC和DAC的数据接口，同时产生USB控制器所需的接口信號。

（二）嵌入式程序设计

FPGA芯片中的测量控制程序通过VHDL语言编写，其顶层原理图（图2）。图2中40MHz的系统时钟SCLK通过锁相环5分频、6倍频得到48MHz的信号;CLKO模块根据PC机设置的采样率输出相应频率的时钟信号;USB_FIFO模块实现FPGA与USB控制器的数据交换;DA2模块将接收并截取14位波形数据用于DA转换;AD2模块采集两路模拟信号，并通过LATCH模块交替锁存输出到USB控制器的数据总线上。

（三）平台控制界面

实验平台的应用需通过PC机的控制程序实现。控制界面采用LabVIEW开发，示波器部分程序界面及运行效果如图3所示，可进行采样率、存储深度和触发模式等的设定。USB驱动程序采用VC++编写，生成动态链接库，再由控制界面调用动态链接库实现数据接收功能。实验平台硬件电路与控制界面配合工作，能够实现双踪示波器、函数发生器等常用仪器功能。实验表明，单通道数据传输速率高达24Msps（16位），完全能够满足常规课程教学需要。

三、验证式实验平台的教学应用

在常规电子类课程教学内容开展之前可以先给学生创设问题，然后提供电路解决方案，并借助验证式实验平台进行电路功能和使用效果的演示。比如在讲授模拟电子技术课程滤波器相关内容时，可以利用验证式实验平台生成带噪声的正弦信号作用于RC滤波电路，并通过平台示波器现场测量滤波前后信号。通过对比展示实际信号滤波前后的效果让学生对滤波器有一个非常直观、形象的初步认识，在此基础上逐步展开滤波器的概念、分类、用途和电路原理等教学内容。通过这种现场演示激发学生的学习兴趣，同时让学生体会从疑问到释然的过程，并引导学生去思考、去动脑，进而自觉自愿地在课外时间去动手搭建实际电子电路以验证理论知识。

此外，验证式实验平台提供示波器和函数发生器功能，能够满足大多数学生的课外实验需求，有助于打破实验场地和时间的限制，营造开放性、全天候实验环境，在充分满足实践能力培养需求的同时激发学生参与课外科技创新的兴趣，实现学生实践动手能力的提高，真正做到开放性实践教学。

四、结束语

本文设计的验证式实验平台本质上是一种兼具便携性、通用性和低成本的多功能虚拟仪器。因此，验证式实验平台既适合课堂教学演示，也方便学生自备用于课后验证探索。相关的教学改革实践表明，将验证式实验平台用于模拟电子技术的课内演示和课后验证有助于促进理论教学与实践锻炼的有机结合。

参考文献：

[1]幸晋渝，王振玉.基于工程能力培养的实践教学改革探索与实践[J].中国现代教育装备，2017，（01）：25-27.

[2]古天龙，景新幸，郭庆，魏银霞.本科院校工程应用型人才培养模式改革探索—基于桂林电子科技大学电子信息类工程应用型人才培养实验区的思考[J].中国高教研究，2012，（01）：107-110.

[3]李建军，黎运宇.基于Multisim仿真的电工技术实验教学的改革与实践[J].教育教学论坛，2019，（31）：79-81.

Design and Teaching Application of the Verification Experiment Platform

ZHOU Wen-wei， WENG Guo-qing， JIN Yan

（College of Information Engineering， Zhejiang University of Technology， Hangzhou， Zhejiang 310014， China）

Abstract： In order to strengthen the practical teaching in electronic courses， the verification experiment platform is designed for in-class demonstration and after-class exploration. The experiment platform is based on hardware circuits and defines common instrument measurement and control interfaces through software， and can expand instrument functions as needed. This experiment platform， with a combination of hardware and software， has the characteristics of portability， versatility and low cost， which is convenient to break the limitations of experiment in time and space. The application of the experiment platform not only enriches the in-class teaching methods but also meets the needs of cultivating students' extracurricular practical ability.

Key words： experiment platform; FPGA; practical teaching

收稿日期：2019-10-14

基金項目：浙江工业大学2017年度创新性实验项目“现场验证式实验教学创新与实验项目建设”（编号：PX-77192715）

作者简介：周文委（1978-），男，浙江台州人，博士，讲师，研究方向：嵌入式系统设计。