“电子技术”课程工程教学案例设计实例

刘凤春，牟宪民，陈希有

(大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116023)

为了配合我校实施卓越工程师教育培养计划，笔者在电工电子基础核心课程建设过程中，开发了系列工程教学案例，试行了以案例教学为主要教学方法的研究型教学模式。本文以“电子技术”课程为例，介绍了五个典型工程教学案例和教学思路。

1 教学案例设计的基本原则

因为案例教学法是研究型教学模式所采用的一种基本方法。因此，设计高质量的教学案例，是实施研究型教学模式的基础。“电子技术”课程属于应用性课程，蕴含的工程应用实例不胜枚举。工程案例的教学设计就是要从众多的实例中简化、提炼出蕴含概念和知识点的典型案例，使其难度和综合程度与学生的认知水平相适应[1]。

笔者通过实践，在教学案例的设计过程中考虑了如下五个因素:①案例中须蕴含明确的概念和知识点(案例的典型性);②案例须具有实际工程应用价值(案例的应用性);③案例易于学生触类旁通，模仿设计(案例的启发性);④案例易于激发学生学习兴趣(案例的趣味性);⑤课程每一章应有贯穿各个知识点的案例，应当有应用各章典型电路的较大型案例(案例的综合性)。

2 集成运算放大器教学案例

2.1 汽车发动机温度指示器电路

(1)案例陈述:汽车发动机的水温是直接影响汽车经济运行和使用寿命的主要因素。汽车发动机的工作温度需保持在正常温度范围内(一般为80～90oC，各种车型略有不同)，才能保证发动机的高效工作和正常寿命[2]。如果水温过高，致使机油粘度过稀，不能对发动机起到润滑、冷却、清洗和密封等作用，而且还使发动机的动力性能急剧下降，甚至局部烧毁。而处于低温状态下工作，会使发动机功率下降，磨损加快，油耗增加。因此，必须实时检测发动机的温度。

图1所示为由集成运算放大器组成的汽车发动机温度指示器电路。图中，RT是具有负温度系数的热敏电阻。通过电路的参数设计，当温度分别达到70oC和90oC时，RT阻值的变化，通过图中的两个集成运放构成电压比较器的输出，导致发光二极管LED1或LED2给出相应的指示。

图1 汽车发动机温度指示器电路

(2)授课方案:本案例可在集成运算放大器一章中作为电压比较器的应用实例讲解。其知识点涉及到电压比较器、稳压电路、热敏电阻和发光二极管等。课堂可提出如下一些讨论的问题:①分析电路的工作原理，思考图中每一个元件的作用;②查阅资料，了解热敏电阻的种类及其特性;③如果要改变显示的温度值，应该怎样调节?④如果采用具有正温度系数的热敏电阻，电路应该怎样修改?

(3)拓展问题:根据指示灯指示的温度值为70oC和90oC，设计电路的参数，并选择电路元件。

2.2 采用差动变压器的测速装置

(1)案例陈述:速度是物体做机械运动的重要物理量，必须进行检测才能实施控制。因此，速度检测电路的用途广泛。速度的检测方法很多，采用差动变压器测量物体运动速度的测速装置，其原理电路如图2所示[3]。本案例涉及到了集成运算放大器的多种基本用法，体现了集成运算放大器的广泛用途。图中各个部分的功能如下所述。

图2 采用差动变压器的测速装置原理图

运放A1组成RC正弦波振荡电路，为后续的运放A2组成的同相加法电路提供一个正弦信号。运放A2电路为差动变压器的一次侧提供了电流信号i1=I0+Imsinωt，作为激励电流。

图中的差动变压器是速度传感器，这是需要补充的相关知识。RL和L分别是差动变压器一次绕组的等效电阻和电感。

运放A3和A4组成两个同相电压跟随器。输入阻抗很大，作为隔离级使用;运放A5组成减法电路输出为 uo5=uo4－uo3，即

运放A6组成一阶低通滤波器。其功能为滤掉uo5中的交流分量，使其输出uo6正比于dx/dt。运放A7组成同相比例运算电路。其功能是放大速度信号uo6。因为信号uo6值很小，需要放大后再提供给后续的A/D转换电路，经模数转换后得到数字信号，再由数码显示电路将速度直接显示出来。

(2)授课方案:本案例可在讲完集成运算放大器一章后，作为综合应用实例组织学生讨论。而此案例可在本章教学开始时就下发给学生，并布置如下一些预习问题:①分析该电路有哪些组成部分?各个部分的独立功能是什么?写出各个输出点的表达式;②分析RC正弦波振荡电路是怎样稳幅的;有哪些稳幅方式?③查阅资料，了解差动变压器的工作原理和功能;④分析电压跟随器的作用;⑤分析一阶低通滤波器的滤波效果，如果滤波效果欠佳，应当怎样改进?

另外，A/D转换电路与显示电路这两部分的知识点属于后续章节的内容，不需要在此展开讲解，可作为一个待解问题，在学习相关章节后，让学生继续完成其设计。

(3)拓展问题有:①试采用集成运放设计一个能产生+5V ～－5V基准直流信号UR的电路;②设计一个能够自动稳幅、频率为5kHz、峰峰值为10V的RC正弦波振荡电路，以此代替图2中A1组成的RC正弦波振荡电路;③设计电路参数使运放A5组成的减法电路输出为:uo5=uo4－uo3;④设计电路参数使运放A7组成的放大电路的放大倍数为100。

3 集成定时器综合教学案例

就教学内容而言，集成定时器555一般是时序逻辑电路一章中的内容。但由于555的应用十分广泛，常常与电工技术或电子技术的许多知识点或典型电路一起构成综合性的实用电路，而且原理简单、趣味性强，易于学生理解、掌握和进一步的应用。因此，笔者在教学实践中设计了大量包含555电路的综合性教学案例，现列举两例进行讨论。

3.1 雨声模拟电路

(1)案例陈述:下雨时雨滴落地的声响可用拟声“嗒”来模拟。其声响不大，但比较清脆。如果用示波器观察该雨滴声响的波形，为前沿陡峭、后沿略显平缓下降的窄脉冲波。使用电子电路仿真该波形的电路如图3所示[4]。该电路由两部分组成:左边部分为由单结晶体管T构成的尖脉冲发生器(弛张振荡电路);右边部分为由555构成的音频振荡电路(多谐振荡器)。

单结晶体管弛张振荡电路的振荡频率取决于R1、R2和C1。其输出的尖脉冲 uo1控制555多谐振荡器的4端。当脉冲前沿到来时，555多谐振荡器起振，从3端输出音频脉冲，发出“嗒——”的音效;当脉冲后沿到来时，555多谐振荡器停振，声音消失。采用555的多谐振荡器振荡频率决定了喇叭发出的音效。

图3 雨声模拟电路

(2)授课方案:在讲授555多谐振荡器后，给出此案例，可设计以下几个问题供学生自行分析，并通过实验加以验证:①分析图3所示电路的工作原理;调节电位器R1时，对该电路将产生哪些影响?②如果多谐振荡器的振荡频率在300～500Hz范围内，分析该电路产生的音效;弛张振荡电路的振荡频率对该音效有何影响?③如果要求电路3端输出高、低电平的时间尽量接近，电路的参数应当怎样选择?④若要求电路3端输出脉冲频率的占空比为0.5，电路应当怎样修改?

(3)拓展问题有:①如果将弛张振荡电路的输出信号接到555的电压控制端5端，电路所产生的振荡波形将怎样变化?②设计能产生救护车音效的振荡电路。

3.2 简易水塔水位控制电路

(1)案例陈述:液位的测量几乎遍及生产和生活的各个领域，尤其在化工类的生产过程控制中，液位是重要的过程控制量。其液位传感器须具有在恶劣环境下仍能保持高的测量精度。液位检测的方法有多种，因液体的不同检测方法亦有不同。图4所示电路是实现水塔自动抽水控制的电路[5]。

图4 简易水塔水位控制电路

图中，A、B、C是三个探测电极，放置在水塔内合适的位置。当水塔内水位降到低于B位时，应该起动水泵工作、开始抽水;当水塔内水位升高到高位A时，应该断开水泵电源，停止抽水。

(2)授课方案:在讲授555的基本特性后即可推出本综合性案例。本案例涉及到多个知识点，其中包括:555组成的RS触发器(属于555的基本应用)、功率放大电路、继电器、交流接触器以及三相异步电动机等。可设计以下几个问题供学生自行分析，并通过实验加以验证:①分析图4所示电路的工作过程;②解释晶体管T、继电器KA以及交流接触器KM的作用;③555能否直接驱动继电器工作?二极管D的作用是什么?

(3)拓展问题有:①实际应用中，为了可靠保证水塔中的水不会溢出，往往还设计了双重保护。当水位超过高水位A时，如水泵没有停止工作(可能是探测电极C支路出现了故障)，则实行强迫停机的方式，达到安全和节水、节电的目的。试在图4的基础上，设计能实现上述功能的电路;②查阅资料，了解液位检测还有哪些方法?各种方法是否都能实现信号远传和自动调节?③在图4的基础上使用发光二极管LED来直观指示水位的高低。

4 二极管应用教学案例

(1)案例陈述:在现代工业、军事和民用等各个领域已广泛采用了红外传感技术。例如，用于楼宇安防的红外入侵探测报警器就是红外传感技术的典型应用。红外线易于产生和接收，其辐射距离一般可达几十米甚至更远，不具备穿透能力，抗干扰能力强，对环境无污染，对人体无损害。适用于边界防护和狭长过道防护的对射式主动红外入侵探测器的原理图如图5所示。

图5 红外入侵探测器原理图

该装置由一收一发两部分组成。发射装置采用红外发光二极管发射红外线，这束红外线被安装在防护区另一端的光电二极管或光电晶体管(接收器)所接收，形成一道不可见红外线防护线。当有入侵物体横跨过监控防护区(收发装置之间)时，就阻断了红外线，红外接收器不能检测到红外线，即刻触发报警器产生报警信号。显然，该装置与光电耦合器件的工作原理类似。

(2)授课方案:此案例可作为发光二极管、光电二极管或光电晶体管以及光电耦合器件的应用实例。在讲授光电耦合器件后，给出此案例，可按照以下思路引伸出问题:将光电耦合器中的普通发光二极管换成红外发光二极管，并将光耦从中间断开，拉长距离、放置成对光学透镜聚焦红外线，此装置可实现什么功能?提问:光学透镜在这里起了什么作用?(答案:红外线会扩散，投射出去会形成圆锥体光束。为了使红外线传输一定距离，并能接收到红外线信号，需借助于光学透镜)。

(3)拓展问题有:①光纤通信的发送和接收两部分亦可以认为是一个经过拉长了的光耦。将光电耦合器中的普通发光二极管换成激光二极管，通过光缆线传输激光信号，使用光电二极管接收光缆传来的信号，就组成了光纤通讯的发送和接收两部分。激光二极管发射的光也主要是红外线;②根据已掌握的知识，设计出图5中的红外发射器的电路;③学习集成定时器555后，完成图5中的红外接收器和报警电路的设计。

5 结语

教学案例的设计既然是以强化工程应用能力与创新思维为出发点的，不应局限于课堂讨论上。若能设计全开放型的实验教学平台，将这些课堂讨论过的工程教学案例作为实验项目实施，不仅培养了学生的主动思考和学习精神，而且能起到应用理论知识的强化和放大作用。

目前，设计全开放型的实验教学平台是我校电工电子实验改革之重点建设内容。

[1]刘凤春，陈希有，牟宪民等.面向卓越计划的“电工学”课程教学改革[J]，南京:电气电子教学学报，2011，33(5):10-12

[2]曹雪咏，林庆松，安第斯.冬季汽车发动机的温度与油耗[J].上海:交通节能与环保，2008，01:33

[3]余成波.传感器与自动检测技术(第二版)[M].北京:高等教育出版社，2009

[4]肖景和.555集成电路应用精粹[M].北京:人民邮电出版社，2007

[5]陈永甫.多功能集成电路555经典应用实例第一集[M].北京:电子工业出版社，2008