大學生電子設計競賽實驗箱的開發

張珂 俞國華

摘 要：在大學電類專業課程實驗教學中，實驗箱對學生實踐能力培養起了很大作用。但目前廣泛開展的大學生電子設計競賽，卻沒有專用的實驗箱；實踐證明，實驗箱的采用，對實踐教學有事半功倍的效果，文章提出了一種便攜式電子設計競賽實驗箱的設計思路、功能和用途，在我校的學生電子設計競賽培訓使用了該實驗箱，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：電子設計；競賽；實驗箱

引言

實驗實踐教學是高等教育的一個重要環節，包括各種形式，例如課程實驗、學生課外科技活動、和畢業設計等，實驗實踐教學離不開各種實驗裝置，對實踐教學起了很大的作用，學生的實踐能力得到了很好的培養。目前在各高等院校電類專業，每2年1次的全國大學生電子設計競賽蓬勃開展，參賽人數日益提高，2011年參賽人數達1萬多人，參賽水平不斷提高，學生的專業技術能力得到社會各界認可，同時促進了高校的電類課程教學改革。實驗箱的采用，對實踐教學有事半功倍的效果，但目前電子競賽沒有專用的實驗箱，學生在競賽培訓中，很多學生電路五花八門、布線雜亂無章，培訓層次、效率較低，不利于學生在競賽中去的好成績。

鑒于這種情況，我們設計開發了一種多功能便攜式、并較好體現設計性和綜合性思想的電子競賽實驗箱。

1 實驗箱設計目標

實驗箱的總體設計目標如下：

一是實驗箱必須是便攜式的，參加電子競賽往往要求學生在課余時間、在寢室等場合自主完成實驗，這就要求實驗箱便于學生攜帶。

二是實驗箱必須是多功能，能把實驗室濃縮在一個實驗箱里，便于學生能基本依托實驗箱完成各種基本實驗，不須借助其他儀器和工具設備等。

2 實驗箱功能組成

根據以上的設計目標和思路，實驗箱采用工業標準鋁合金儀器箱，體積不大于40×30×15cm（長×寬×高），可放入一般學生的背包里，便于學生攜帶，可謂是背包里的電子實驗室。

實驗箱集成多種功能，內部分2層，上層包括儀器區、單片機區、電路模塊區和通用板區，下層包括工具區、元件區和萬用表。

上層是整個實驗箱的核心，以一塊環氧板作為底板，并且用鉸鏈安裝在箱體上，便于上下翻蓋，主要包括以下區域：

2.1 儀器區

學生在做電路實驗，必須用到各種電子儀器。儀器區集成了多路直流穩壓電源、簡易函數信號發生器和數字示波器等儀器。

多路直流穩壓電源可輸出±1.25～15V可調直流電壓和+5固定電壓共3路電壓，結構和實驗室常用直流穩壓電壓完全一樣，但輸出功率略小（30W），在電子設計競賽中，大部分電路功率夠用。

簡易函數信號發生器輸出頻率范圍2Hz～200KHz，輸出幅度0～8V；輸出波形有正弦波、三角波和方波，可以滿足大部分中、低頻實驗的要求。

多路直流穩壓電源和簡易函數信號發生器共用一個顯示屏，可顯示電源電壓值、信號的頻率、幅度等參數，便于學生調節觀察。

數字示波器采用高速AD和STM32單片機，單蹤顯示，采樣率50MHz，模擬帶寬5MHz，靈敏度20mv/div；顯示采用3 、分辨率600×320顯示屏，一般的場合足夠用。

2.2 單片機區

單片機區集成2種單片機，8051單片機和STM32單片機，8051作為目前高校教學主流的單片機，是學生入門必須的，同時該板通過插接其他高性能單片機，例如STC12C5A60S2、ATmega16（通過轉接板），可用于高速、精密控制等要求高的場合。

學生學習8051入門以后，可學習STM32單片機，功能強大，可用于競賽。以上單片機包括其他外圍功能：鍵盤、A/D轉換、D/A轉換、LCD液晶顯示和通信下載口功能等。

2.3 電路模塊區

電路模塊區是該實驗箱的一大亮點。包括常用模擬電路和數字電路類，實驗箱把常用的各種電路做成標準接口模塊，可快速驗證電路功能。模擬電路類包含以下各種電路模塊：放大器、濾波器、比較器、信號變換和信號振蕩等，每種電路模塊又由幾種常用電路組成。放大器模塊包括常用的幾種放大器形式，例如同相比例放大器、反相比例放大器、儀表放大器和可編程放大器等。濾波器模塊包括常用的幾種有源濾波器形式，例如低通、高通、帶通和數字低通濾波器MAX297。比較器模塊包括常用的幾種比較器形式，例如同相比較器、反相比較器等。信號變換模塊包括常用的信號轉換電路，例如交直流（AC/DC）轉換電路、頻率電壓（F/V）轉換電路、電壓頻率（V/F）轉換電路等。信號振蕩模塊包括常用的信號產生電路，例如NE555時基振蕩器、正弦波發生器和DDS信號發生器等。數字電路類功能和組成比較簡單，包括反相器、與非門、異或門、D觸發器、單穩態觸發器等，用于簡單數字功能的實現。學生根據實驗任務和要求，選擇實驗箱上相應模塊，例如放大、濾波等用，導線連接各模塊；然后根據電路指標選擇合適參數元件，并安插到各模塊上，再通過調試，可快速驗證電路功能，避免了學生常規電子實驗方法-采用通用板，效率低且容易出錯的弊端。

2.4 通用板區

電路模塊區并不能覆蓋所有電路，需要制作其他電路，就要用到通用板來完成。

通用板的工作電源由儀器區的直流穩壓電源提供，同時簡易函數信號發生器和數字示波器可對通用板電路進行性能指標的測試，通用板的輸出信號可到單片機區進行進一步處理、計算和顯示。

2.5 實驗箱下層

實驗箱的下層（實驗箱底部）是工具區、元件區和萬用表，工具區安放常用焊接工具：電烙鐵、尖嘴鉗、斜口鉗、剪刀、鑷子和螺絲刀等，元件區安放常用元件：電阻、電容、三極管、集成電路、接插件和導線焊錫等。

3 實驗箱的拓展

實驗箱用途除了用于學生電子設計競賽培訓、比賽以外，還可用于學生課程設計、課外科技活動、畢業設計、教師科研開發和新產品開發等各種領域，用途及其廣泛。

以2007年全國大學生電子設計競賽本科組D題“程控濾波器”為例，電路由放大、濾波和單片機處理（鍵盤設定等）幾部分組成，見圖1所示：

構成程控濾波器的電路均可在實驗箱上找到對應模塊。

此外該實驗箱也可用于教師科研開發和新產品開發上。以開發超聲波測距儀為例，電路由發射、接收和單片機處理（距離計算、顯示等）幾部分組成，見圖2所示：

以上兩個例子，電路均可在實驗箱上找到相應電路模塊，并通過連線、選擇元器件等步驟，快速完成系統構建。實驗箱涵蓋了很多電路，通過排列組合可以構建復雜的電子系統，鍛煉學生創新思維能力。

4 結束語

實驗箱包括各種電路模塊，集成了常用的電子儀器，根據任務和要求，通過不同電路模塊的有機組合，可實現不同的復雜電子系統功能，體現了綜合性實驗的思想。

實驗箱可用于大學各種電子技術類課程實驗、學生電子設計競賽培訓，學生課外科技活動、學生畢業設計、教師科研開發和新產品開發等各種領域，用途及其廣泛。

參考文獻

[1]張遠岐，等.電路模擬數字綜合實驗箱的研制[J].實驗室研究與探索，2000（5）：79-83.