《电子技术》课程综合性实验项目设计探索

谢 东，官正强，任国燕，王 敏

(重庆科技学院 a.电气与信息工程学院;b.继续教育学院，重庆 401331)

《电子技术》课程中的实践教学环节是电类学生较早接触的与电子、控制、测量等知识技术相关的基础性实践环节。对工科学生尤其是电类学生而言，电子技术课程的实验和实训是培养他们实践动手能力，把理论知识与实践工程相联系的重要过程，也是熟练掌握电类基本技能的必须训练环节［1－2］。

目前，《电子技术》的课程实验中，由于电路组成较为复杂，要求的硬件平台设施多、元件成本高、损耗大，完成综合性、设计性实验花费时间长，需要大量精力投入，所以开设的综合性实验较少，部分综合性实验不能完全反映电子技术的实质［3－4］。为解决这些问题，本文提出了开设电子技术综合性实验的原则及方法，给出了电子技术综合性实验的设计要素，结合模块化的硬件实验装置实施综合性实验，即可解决部分硬件缺少的问题。不但能增加学生自主性，同时还能结合后续课程《电力电子技术》《自动检测技术》《电力拖动系统》以及《自动化仪表与装置》等课程的需要，使基础性课程教学与专业课程教学有较好的衔接。

1 综合性实验项目设计原则及内容

综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关的课程知识的实验［5］。各学校会根据学校自身特色和课程体系，开设相应的综合性实验项目。

实验项目设计及实验内容的具体要求主要包括以下4个方面:

1)实验目的、实验方案、电路结构及实验要点的确定。

2)电路设计分为学生自主设计部分和定型部分。

3)测试点设计和测试方案设计。

4)实验数据记录表格设计。

最终目的是通过实验使学生全面认识电子技术中几个核心要点:三极管放大电路、集成运算放大电路、功率放大电路、反馈以及它们的作用、数字门电路等。实验项目扩充后可作为综合实训项目开展，压缩简化后可为验证性或设计性实验。

2 电子技术综合性实验设计要素

由于《电子技术》课程是电类专业的重要基础课程，涉及面广，不同专业要求差异大，学习深度和知识覆盖面也有所不同。各校根据其专业特点侧重不同，作为控制类专业，我们在设计电子技术课程综合实验时，主要考虑以下5个方面［6－8］:

1)实验目的。要考虑课程学习中所要求的核心知识的关联和掌握程度，应与课程教学大纲要求对应，注意前后知识的呼应和关联。

2)实验内容。应涉及课程重要章节3个以上知识点，不一定要覆盖全部课程知识，但重点内容不能忽视。

3)实验手段和方法。可发挥学生自主性，不必按照规定的步骤开展实验，有助于学生动手、动脑能力的培养。

4)仿真与实物相结合。综合实验电路组成复杂，连接关系多，可利用EDA软件进行前期仿真设计和实验。

5)充分利用已有的模块资源，进行积木式的搭建，减少硬件成本，有助于资源配置。

本文以简易直流电动机调速控制系统设计为例，拟用《电子技术》所学知识完成一个综合性实验项目设计，使它既较为全面涵盖《电子技术》课程的大部分知识，又具有较强的工程背景和行业背景。本实验项目要求全部用电子技术知识完成，而不依靠单片机。

3 设计案例

本实验涉及两部分内容，一个是电机驱动电路，另一个是脉宽控制可调电路。学生通过H桥电路的连接，能很好地掌握单管共射放大电路的工作特性;通过脉宽控制可调电路的连接，能够对电压比较器、波形发生电路等有较好的理解。

3.1 实验内容和要求

通过实验达到让学生掌握运算放大器、电压比较器、波形转换器、功率放大器的应用，并使学生初步具有综合设计的能力。

1)根据直流电机参数设计H桥路的4个晶体管，搭建主电路，掌握功放电路的设计和应用。

2)模拟量给定的PWM电路设计，利用电压比较器设计PWM控制电路。要求根据脉冲频率选择电路参数，确定电压调节范围，使学生掌握集成运放电压比较器的原理及应用，掌握电路参数、频率、占空比计算，了解占空比调节范围，对应的输出电压调节范围和速度调节范围，将理论计算与实际工程联系起来。

3)逻辑门电路设计，正反转控制电路的逻辑设计。要求学生掌握基本门电路完成的脉冲封锁和开启的控制、倒相控制等;理解延时控制等功能的意义。

3.2 实验原理和实验电路

电路设计分为三个部分:主电路即H桥驱动电路、PWM波形产生电路、正反向控制电路。

H桥式电机驱动电路如图1所示，它包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对应的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

根据直流电机参数设计H桥路的4个晶体管，搭建主电路。使学生掌握功放电路的设计和应用，了解三极管参数选择、二极管的作用、功放电路的应用等。

PWM波形产生电路如图2所示。它由一个三角波发生器(LM324AD和LM324AD)和一个比较器(LM324AD)组成。通过控制PWM波形的占空比和频率，达到对电机调速的目的。

将三角波发生器输出端与控制信号的直流电平的输出信号进行比较，得到与控制信号大小成正比的占空比变化的方波，频率由R5、C、R1和R2决定。

其中，R2＞R1。R2与R1的比例影响工作频率和三角波的波幅。假定VTH是三角波的最大电压，VTL是最小电压，那么波幅摆幅为:

利用数字电路中门电路知识，设计正反转控制电路，来实现电动机正转和反转，如图3所示。可以发挥学生自主设计的能力，再加上互锁功能和触发翻转控制等功能。

另外，利用小型直流电机作为测速发电机的速度反馈电路，使学生建立对反馈回路的认识。理解反馈放大电路，反馈小信号放大的作用和意义，使学生更深入了解放大电路的作用。

3.3 电路调试和测试点确定

电路调试是实验能否成功的关键，由于不再是单一实验，可按照模块化结构连接线路，先分块调节，再总体调节。

图1 H桥驱动电路

图2 PWM波形产生电路

图3 正反转控制电路

3.3.1 静态工作点的调试

接通5 V电源电压，测试电动机两端的电压是否为“0”。假如不为“0”，检查电路连接是否正确;如果正确，检查三极管工作是否正常。若损坏就更换三极管，然后分别测出Q3、Q4、Q5、Q6这四个三极管两两极之间的电压值Ube、Uce、Ubc，并记录。

3.3.2 电动机正转、反转测试

将已经调节好的PWM电路接入H桥引入端的上端，规定其转动方向。当电动机稳定转动时，调节PWM控制脉宽的调节电阻R6，观察电动机的转速是否发生变化，然后调节占空比在50时，分别测出Q3、Q4、Q5、Q6这四个三极管两两极之间的电压值Ube、Uce、Ubc，并记录。改变转向后按照上述方法再调试和测试，并记录。

3.3.3 频率对电动机两端电压值的影响

将已经调节好的PWM电路接入H桥引入端的上端，使其正转。当电动机稳定转动时，调节PWM控制脉宽的调节电阻R6，使其占空比在50时，再调节PWM控制其输出频率的调节电阻R5，用频率表观察其输入的频率。当频率为500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz时，分别测出电动机左(Um1)、右(Um2)的电压值和电动机两端的电压ΔUm，并记录。

4 结束语

全面利用电子技术知识的综合性实验项目提高了教师动手能力，也促进了将教师的工程实践和科研成果转化为教学资源。综合性实验项目的开设对锻炼学生的实际动手能力，使他们将书本知识更好地应用到实践中有着重要意义。

［1］何为，张占龙.综合性大学立体式电工电子实验教学模式［J］.实验室研究与探索，2009，28(7):85－87.

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［3］陈学英.电子技术综合实验教学方法研究与实践［J］.实验科学与技术，2011，9(2):127－130.

［4］廉玉欣，李琰，王猛，等.“高级电子技术综合实验”课程的建设与实践［J］.中国电力教育，2012(21):88－89.

［5］祝瑞玲，祝瑞花.“模拟电子技术”课程教学改革的探索与实践［J］.教育与职业，2010(30):135－136.

［6］秦进平，刘海成，张凌志，等.电类专业数字系统综合实验平台研制［J］.实验技术与管理，2012，29(6):75－78.

［7］付扬.Multisim仿真在电工电子实验中的应用［J］.实验室研究与探索，2011，30(4):120－122.

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