“電子技術”課程設計的項目化教學改革探索

朱棟 馮成濤 儲開斌

[摘 要] 為提高應用型本科院校電子工程專業學生對“電路分析”“模擬電子技術”“數字電子技術”等課程中理論知識的應用能力，在“電子技術”課程設計這門實踐類課程中，以數字化超聲波發生器電路為案例，引入項目化教學方法。超聲波發生器涵蓋“三電”課程、“EDA技術”課程、“數字信號處理”課程中多個重要知識點，其電路工作原理為振蕩電路與超聲波換能器組成RLC串聯諧振電路，并利用反饋環控制振蕩電路的頻率以實現換能器諧振頻率的跟蹤。經過該項目的實踐，能夠極大地加深學生對電路理論的理解、提高對電路相關開發軟件與常規儀器儀表的應用能力，能使學生初步具備解決復雜工程問題的能力，課程所導向的教學目標明確，契合工程教育的要求與理念。

[關鍵詞] “電子技術”課程設計;項目化教學;數字化超聲波發生器;教學改革

“電子技術”課程設計是為提高電子工程及相關專業本科學生理論應用能力和實踐能力而開設的重要課程之一。近年來，由于本科學生的考研壓力與日俱增，學生往往更注重理論知識的學習，而忽視實踐類課程對實踐能力的提升作用。相反，國外一流大學，本科階段畢業所需的總學分只有120分左右，更多地鼓勵學生參加實踐活動。國內一些學者已經利用項目化教學法對該課程進行了非常有意義的探索與改革，如圍繞“以學生為主體，以教師為主導”的現代教育理念進行選題、設計過程、評價體系優化的研究[1]，采用CDIO工程教育模式的項目教學法，將題目的設計分為課題分析和方案論證、方案設計、方案實現和總結及成果展示四個階段來組織教學的研究[2]，基于Knowledge-Ability-Quality（KAQ）理論的項目教學法探索[3]，基于虛擬仿真的教學方案改革[4]。

上述文獻均側重教學理論和教學方法的研究，本文則針對“電子技術”課程設計的課題新穎性的不足，引入超聲波發生器這樣的實際工程案例。經過具體案例的磨煉，學生能把平時學習的理論知識運用到實踐中來，通過實踐又能加深理論的認知，真正讓高等教學達成認知—實踐—認知的閉環回路。

一、問題提出的歷史背景

超聲波發生器把市電轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，去驅動超聲波換能器。目前，市場上的超聲波發生器多以模擬式超聲波發生器為主，這種模擬式超聲波發生器具有可靠性差、轉換效率低、跟頻效果差等諸多缺點，已經很難勝任日益高速化的工業生產焊接需求。

而采用數字電路的超聲波發生器，能夠更好地消除超聲波換能器溫度漂移等常見模擬機難以克服的缺點，可方便快捷地進行參數的制定與調節，能夠通過改變程序軟件靈活調整控制方案以及實現多種新型控制策略，同時可減少元件的數量、簡化硬件結構，從而提高系統的可靠性，而且還可以實現人機交互、遠程控制、故障在線監測和自動診斷。

數字式發生器具有更長的使用壽命、更高的轉換效率、更精確的頻率控制，以及便于實現數字化控制等優點。目前，數字式超聲波發生器多以單片機作為主控處理器產生脈沖寬度調制（PWM）波，結合最大電流搜索法實現頻率跟蹤[5，6]，基于FPGA（現場可編程門陣列）的數字化頻率高分辨率的超聲波發生器項目能夠實現輸出信號頻率的精確控制、換能器電壓與電流相位差的精確測量和頻率的快速跟蹤，對學生理論功底的夯實、應用能力的提高、創新思維的培養都有明顯的推動作用。

二、數字化超聲波發生器電路設計

基于FPGA的數字化超聲波發生器電路主要由現場可編程門陣列（FPGA）數字邏輯電路、模擬的驅動/轉換電路和單片機三大部分組成，如圖1所示，其核心部分是FPGA數字邏輯電路，難點在于頻率控制字的反饋控制。

數字化超聲波發生器電路的工作原理為：FPGA片上DDS根據頻率控制字K產生對應頻率的正弦波，將正弦波與某一電平進行電平比較并產生具有一定占空比的數字方波;數字方波經功率放大與隔離電路處理后驅動超聲波換能器，將超聲波換能器的電壓、電流信號轉換成邏輯方波送到FPGA內測量它們的相位差;再根據電壓與電流的相位差測量結果，調節頻率控制字K，改變輸出方波的頻率，以減小電壓與電流之間相位差。通過這樣的閉環反饋迭代，使超聲波換能器始終工作在其諧振頻率點上，解決換能器隨環境溫度諧振頻點漂移問題。調節正弦波的比較電平就可以改變換能器上所獲得的電壓的有效值，從而調節整機的輸出功率。

FPGA內的數字邏輯電路主要功能是基于直接數字頻率合成器（DDS）產生驅動超聲換能器的具有一定頻率和占空比的數字邏輯方波信號，以及測量超聲波換能器電壓與電流的相位差，并根據相位差測量結果反饋控制DDS的輸出頻率。涉及DDS的基本原理、快速傅里葉變換（FFT）的原理、有限沖擊響應（FIR）濾波器、坐標旋轉數字計算（CORDIC）算法測相角等重要知識點，以及利用硬件描述語言（HDL）編程語言實現滑窗均值求解等常用的信號平滑和去噪手段。

模擬電路部分的主要功能是對驅動信號進行放大，并使用變壓器隔離的方式驅動超聲波換能器。同時，對超聲波換能器兩端電壓及其電流進行比例縮小，以適應低壓的運算放大器，并基于運算放大器構成比較器產生電壓/電流邏輯電平方波。該部分涉及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率放大電路、全橋整流的AC-DC轉換、變壓器、電流—電壓轉換電路、運算放大器電路等模電課程的重要知識點。使用IGBT功率管，需要專用的隔離驅動芯片。讓學生查閱驅動芯片的相關英文資料。通過閱讀英文資料，還能提高學生專業英語的理解和寫作水平。

如圖1所示的數字化超聲波發生器電路，其創新點在于：（1）利用DDS作為頻率源，DDS產生的正弦波頻率分辨高，且頻率調節方便，有助于學生理解DDS的原理。正弦波經過比較器得到數字方波，改變比較電平就能改變數字方波的占空比，從而調節超聲波換能器上的電壓有效值;（2）利用數字方波去驅動超聲波換能器，數字方波能夠使IGBT功率管工作在截止區和飽和區，駐留在放大區的時間非常短，這樣大大降低了功率管上消耗的功率，減小了發熱量，使學生在電路設計的時候有意識地考慮電路的功耗等因素;（3）利用快速傅里葉變換測量正弦波的相角，測量精度更高，同時有助于學生理解傅里葉變換的本質就是時頻域變換，加深對數字信號處理理論的理解和應用。

基于上述創新點，數字化超聲波發生器電路具有超聲波頻率分辨率高、快速自動跟頻、配置靈活、整機發熱量小等優勢，能夠應用于各種類型的超聲波發生器。

此外，利用單片機為FPGA進行數字邏輯處理電路中參數值的初始化，FPGA內的參數接收模塊通過通用輸入輸出（GPIO）口連接單片機的可編程IO口，以串行外設接口（SPI）總線方式（數據位、數據時鐘、數據有效標志位）接收比較電平、頻率控制字K初值、相位差比較門限參數。單片機端編寫模擬SPI串行總線傳遞參數的C語言程序，讓學生快速掌握單片機編程的基本能力。FPGA端的參數接收模塊編寫移位寄存器和鎖存器的HDL程序用于接收參數，使學生熟練掌握D觸發器和延時寄存器的應用。利用FPGA片內的全局時鐘網絡配置FPGA片內數字邏輯電路所使用的主時鐘，減少時鐘的寄存器至寄存器之間延時，使學生理解信號在寄存器之間傳輸時所需滿足的建立和保持時間的最低要求，學會FPGA時序約束的基本方法。

三、教學方案設計

該課程設計48學時，其中，教師理論課講解8學時，每次2學時，依次講解DDS原理與其IP核的應用、IGBT功率放大電路、快速傅里葉變換與其IP核的應用、CORDIC測角原理與其IP核的應用，學生在課后利用Multisim或Matlab軟件完成相關電路或原理的仿真操作，理論課結束后要求每位同學針對以上4個重要知識點完成一份關鍵技術研究報告，并對每位學生的關鍵技術研究報告進行打分，作為總評分的一環。實驗課40學時，每次4學時，學生在教師的指導下在實驗室制作實物，每次實驗課配備兩位指導教師。

考慮到高壓部分的制作對于沒有經驗的學生來說，有一定觸電危險性，因此模擬的功率放大電路只進行12V以下的放大，超聲波換能器采用等效的RLC串聯電路來代替。整個超聲波發生器電路可以由6～7位學生協作完成，分別完成FPGA編程（含方波產生部分、FFT部分、CORDIC測相角部分）、單片機編程、模擬電路（功放電路部分、電壓/電流轉換電路部分）。10次實驗課大致計劃為：前6次課學生分頭完成各自研發任務;接下來的2次課完成整機的聯調聯試;最后2次課完成項目總結報告和匯報PPT，并進行現場匯報。每組電路總成本大約150元，模擬電路所需元器件耗材大約50元，制版和電裝費大約100元，其中FPGA開發板、單片機開發板可以重復使用，只需一次性投資。完成超聲波發生器電路只需穩壓電源、萬用表、示波器、信號源、電烙鐵等電工實驗室最基本儀表和設備，無須添置儀器。每組設組長一名，除了承擔相應的研發任務外，還要進行項目管理，包括建立團隊例會、會議記錄歸檔、中期檢查、項目結題驗收等過程管理制度。最后，對每組的實物和報告進行打分，同時結合每位學生的關鍵技術研究報告得分，給出各位學生總評成績。

綜上所述，數字化超聲波發生器電路所需要的開發平臺，其硬件部分包括FPGA開發板、單片機開發板以及一些基礎的儀器儀表，軟件部分包括用于仿真的Matlab和Multisim，用于FPGA和單片機開發的Quartus和Keil軟件，以及用于PCB板設計的Cadence。

四、達成度評價

從理論分析能力、開發軟件應用能力、數字邏輯電路設計能力、模擬電路設計能力、文檔制作與匯報能力五大項目建立達成度評價標準，每項各占總達成度的20%。每一大項又有很多分項，如理論分析能力大項包括DDS原理、FFT原理、FIR濾波器、CORDIC原理4個子項;開發軟件應用能力大項包括Quartus、Keil、Matlab、Multisim、Cadence5個子項;數字邏輯電路設計能力大項包括HDL編程、IP調用、時序約束、層次化設計4個子項;模擬電路設計能力大項包括全橋整流電路、晶體管功放電路、運算放大器電路、隔離與保護電路4個子項;文檔制作與匯報能力大項包括文檔的完整性、文檔的規范性、PPT、口頭匯報、現場質疑應變5個子項。最終，根據各個子項的得分，累計得出總達成度。另外，制作調查問卷，根據學生對于本課程新案例實施過程的反饋意見，做到持續改進，不斷優化整個課程。

五、結語

作為項目化“電子技術”課程設計教學改革的探索，數字化超聲波發生器電路能夠提升學生全方位的能力，首先能把書本上枯燥的電路諧振、晶體管放大電路、傅里葉變換等理論知識生動現實地展現在學生面前，讓他們對理論的理解更加深刻;其次，能夠提高學生搭建實際模擬電路、數字邏輯電路的能力，在電路的構建過程中不僅要考慮技術可行性，還要考慮散熱、耐壓、時序約束等實際工程上必須考慮的問題，提高電路的可靠性和魯棒性;再次，提高學生的C語言和HDL語言的編程能力，重點培養學生的編程思維，而不用太關注高級語言的語法問題;最后，通過撰寫報告、設計PPT、總結匯報等，提高學生的文字表達能力和語言溝通能力。通過這種復雜項目的鍛煉，不僅能夠將本科階段所學知識點串聯成一張知識網，還能使學生從中真正獲得解決實際工程問題的能力，提高他們的團隊協作精神，提升學生使用工程中常用開發和仿真軟件的熟練度，提高學生項目過程管理能力，提高學生英文資料的閱讀能力，全面提升他們在工程項目中所需的各種能力。

參考文獻

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[2]王波，王美玲，劉偉，等.基于產出導向的電子技術課程設計教學改革[J].實驗室研究與探索，2019（9）：224-227.

[3]劉盾，趙文慧，倪曉昌，等.基于KAQ理論的項目教學法在電子技術課程設計中的應用探索[J].教育教學論壇，2018（2）：162-163.

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