电子技术综合设计性实验教学研究与实践

张跃勤， 龙 英， 杨 军， 王新辉

(长沙学院 电子信息与电气工程系， 湖南 长沙 410003)

电子技术综合设计性实验教学研究与实践

张跃勤， 龙 英， 杨 军， 王新辉

(长沙学院 电子信息与电气工程系， 湖南 长沙 410003)

本文总结开展电子技术综合设计性实验教学改革的经验，提出了解决教学实践中遇到关键问题的途径，以555集成电路构成的电容物位测量电路为例，介绍如何将教师科研成果进行转化、简化、修改，从而开发出符合当前教学需求的综合设计性课题。

综合设计性实验;实验教学；实验项目开发

0 引言

电子技术综合设计性实验教学研究对实验教学质量的提高有极大的促进作用，对于提高学生学习的主动性,增强学生对基本知识、基本方法与基本实验技能的灵活运用能力,培养学生独立解决实际问题的能力和激发创新意识具有重要的意义和作用[1-2]。同时，它也对实验大纲与实验教材的编写、实验教学人员水平、管理运行机制创新等方面均提出了更高的要求。

1 进行试点，查找问题，总结经验

作为省级基础课教学示范中心与省级虚拟仿真实验教学中心，自2014年以来，我院实验教学中心就以申报国家级实验教学示范中心为契机，进一步增加实验总学时，特别是对综合设计性实验教学作用和地位的认识进一步提高，大幅度增加了学生自主选题综合设计性实验比重，全面推进综合设计性实验的教学改革。

中心精心制订了《综合设计性实验教学实施方案》。结合专业特点开设独立的综合设计性实验课程，一个综合设计性实验一般规定为8学时，其中计划内占3学时，计划外为5学时，计划外学时要求学生在实验室开放时间段内完成，计划外学时教师的工作量学校根据政策予以课时补贴。综合设计性实验课程先在部分班级进行试点，试点工作分四个阶段(即选题阶段、制订实验方案阶段、实验的实施阶段和总结报告阶段)依序开展。试点工作开展得很顺利，实验中教师和学生积极性非常高，取得了较好的教学效果。

通过试点，解决了教学中遇到的一些深层次问题，对中心在构建新的实验教学体系、调整和优化实验教学内容、编写系列实验教材、设备优化配置、开放式教学模式的实施、教学考核考评的完善、多媒体及网络技术的应用等方面的工作产生很好的推动作用，为全面实施综合设计性实验教学改革，积累了十分宝贵的经验。同时，在教学中也暴露出一些关键性问题，如：课题面选择过小，缺少合适的课题，学生难以有更大的发挥空间等。

2 综合设计性实验项目的建设

综合设计性实验项目应具有研究性、整合性、开放性及可扩展性等特征，因而在内容设置上应尽量兼顾各相关课程知识点的覆盖与拓展、难易程度的把握以及进度上注重循序渐进，力求做到理论联系实际。由于那些与专业科研方向相结合、工程应用背景深厚的选题和实例，能大大增加学生对专业的兴趣与喜好，激发学生的学习热情和创新意识，提高学生的工程素养和工程实践能力。因此加强综合设计性实验项目建设是全面推进综合设计性实验教学改革的关键问题之一[3]。此外，精心制定好动态的实验教学计划以及注重规范设计性实验教学管理，提高设备、场地和人才资源的共享程度，实现内容创新与体制创新同步，也是保证综合设计性实验教学能顺利实施的关键。

针对综合设计性实验项目建设问题，中心通过多种途径，同时考虑不同专业学生的不同培养目标，精心开发出多个思路新颖、目标明确、研究方案及技术路线可行、实施条件可靠的综合设计性实验项目，不断丰富设计性实验课程资源库，以此来解决目前可选设计题目少且更新缓慢的难题。我们的实验项目来源主要通过以下几种途径获取：

(1)结合后续课程教学需求，对现有课程教学内容进行优化和扩展，从而开发出符合当前教学要求的综合设计性实验项目。

(2)由学校“大学生研究性学习和创新性实验计划”、“大学生科技创新项目计划”引伸出值得进一步深入研究的实验项目。

(3)教师承担大量科研项目，将其中一些优秀科研成果进行简化、修改并转化成本科生综合设计性实验项目。

(4)科研论文通常是对本专业最新前沿的介绍、论述与总结，充分利用现有教学资源与条件，选择其中合适的内容进行开发改进，作为学生独立开展设计的实验项目[4-5]。

(5)教师与学生提出自己感兴趣的实验项目。

通过以上途径选备或开发出的实验项目必须经过中心课题组审查以及完成示范作品的制作方能被选入资源库。要求课题在实施过程中，能虚实结合，最好有可参考的原型。学生在原型的基础上，自主添加新功能和尝试新方法，找到各自的切入点和深入方向，以保证实验项目的合理性和可行性[6-8]。

3 综合设计性实验项目的开发案例

下面以“555集成电路构成的电容物位测量电路”为例，介绍如何将教师科研成果进行简化和修改，开发出适合本科生的综合设计性实验项目的案例[9]。

3.1 设计方案

在工业生产中，经常需要对物料的多少进行测量与控制，如水处理、食品、石化、造纸等行业的清水、污水、泥浆、石油等介质的物位测量。

用电容测量物位是一种常用的测量方法，即将测量物位的电容量的变化转换为脉冲波形的变化。如图1所示，当物位由H1升高到H2时，电路输出的脉冲波形就会产生变化。当物位升高后，输出脉冲的脉宽增大了，频率降低了。通过对脉冲波形进行脉宽测量，从而可计算出物位的高低。系统组成框图如图2所示，系统由NE555构成的物位探头电路、脉宽测量电路及显示电路组成。

3.2 NE555构成的物位探头电路

在工程测量中，物位测量探头电容的一个极为金属电极，另一极是同轴金属管，也可以是金属罐壁，罐中的物质作为电介质。在空罐状态下电容量最小，因为空气介电常数为1，而大多数物质的介电常数都比空气大。随着罐中物质增多，物位上升，电容量也随着物位呈线性地增大。

NE555构成的物位探头电路如图3所示，555内部的时基电路与物位测量电容CX及外接的电阻R1、R2构成多谐振荡器，当CX的电容量随着物位变化时，555电路输出波形的脉冲宽度也会发生变化。另555为双极型电路，外部配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力，输出电流可达到20 mA，脉冲宽度和工作频率的可调范围大，脉冲占空比范围为0.01%-99.9%。

图1 物位升高时电路输出波形

图2 系统组成框图

图3 物位探头电路

其输出波形的脉冲宽度可按下式计算：

t=0.7(R1+R2)CX

(1)

由式(1)可知，在电路中只要选择好电阻R1、R2的阻值，就可以得到适合测量所需的脉宽。一般R1与R2均应大于或等于1 KΩ ，但R1+R2应小于或等于3.3 MΩ。

3.3 脉冲波形测量

1)测量原理与测量方案

应用通用计数器及基准时钟脉冲测量脉冲宽度的原理如图4所示。被测脉冲作为测量的控制信号，被测脉冲上升沿控制与门开通，计数器对基准时钟脉冲开始进行计数；而被测脉冲下降沿控制与门关闭，计数器停止计数。因而被测脉冲宽度t由计数器的计数值M和基准时钟脉冲周期T0确定。即：

t=M×T0

(2)

图4 脉宽测量原理图

一般通用计数器不能对脉冲序列中的脉冲进行连续采样，而只能单次分散采样，因而工程中常需测量这种随机脉冲序列N个连续脉冲的平均宽度[10]。若N个连续脉冲的宽度分别为t1,t2,t3,…,tn,则其平均宽度可用下式表示：

t=(t1+t2+t3+…+tn)/N

(3)

脉宽测量可用时序逻辑电路组成的测量电路实现，一般由信号脉冲输入控制、计时及显示、基准时钟脉冲产生等单元电路组成，但由于各单元电路结构较复杂，整体电路的可靠性和稳定性不高。建议利用单片机内部的定时/计算器资源，采用单片机实现脉冲宽度的测量及数据处理，并利用液晶显示结果，整体硬件电路简单，还可充分利用单片机通信优势，通过串行口很方便地与其它仪表或控制系统接口，实现远传，具有很好的实用性。

2)采用单片机实现脉冲波形的测量

(1)硬件电路：AT89C51单片机内有4 k字节Flash 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16 位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用6 MHz的晶振频率。由于AT89C51的系统性能满足时间精度的要求，故采用其作为测量电路控制核心。

图5 测量电路

元中。若测N个连续脉冲的平均宽度，则实际测N+2个连续脉冲宽度值，去除最大值和最小值，然后求平均值。主程序从RAM中读到的脉冲宽度测量数值，经去扰运算后查找预存的对照表，取得物位的大小，送显示电路[12]。软件流程图如图6所示：

图6 软件流程图

3.4 实验效果及分析

将此电路用于某设备的水位测试，调整好物位探头传感器电路参数，其工作状态为：0水位时，测得脉冲宽度为t0≈6 μs；满水位时，测得脉冲宽度为t≈446 μs，单片机晶振频率为6 MHz。实验测试结果表明测量精度达到0.5%，取得比较满意的测试效果。

由于测量精度与被测介质的介电常数、电容CX

结构尺寸、晶振频率以及电路中的R1、R2等参数密切相关，因而在实验测试中应对以上因素综合考虑，细心调整，选取合适的电路参数。

4 结语

我院实验教学中心开展的实践证明，综合设计性实验教学是提高学生工程实践能力和创新意识的有效途径。要从根本上实现教学从基本知识和基本能力向设计能力和创新能力转变，需要开设更多与专业科研方向相结合、应用性较强的综合设计性实验。随着教学改革的深入，不断给学生开发出难度适中且内容新颖的实验项目，丰富综合设计性实验课程资源库，已成为当务之急。

[1] 梁喜龙，方淑梅等．关于高等学校综合性设计性实验教学的思考[J]．兰州：高等理科教育，2007，(5)：125-127．

[2] 张跃勤，张海涛．用OrCAD9.2开设电工电子设计性实验[J]．北京：实验技术与管理，2006，(9)：80-82．

[3] 赵君，史冬琳．基于设计性实验的卓越工程师能力培养教学改革与研究[J]．北京：中国电力教育，2014，(18)：30-31．

[4] 谭羽非，姜宝成，赵金辉．科研与教研结合构建“菜单式”实践教学立体训练体系[J]．哈尔滨：继续教育研究，2010(9)：162-163．

[5] 李宁，罗琴娟，钱桦，樊桂玲．数字电子技术自主设计性实验教学实践及分析[J]. 北京：实验技术与管理，2015．32(6)：161-163．

[6] 钱洁，房健民，陈志宏．生物技术综合性和设计性实验教学改革与实践[J].上海：实验室研究与探索，2014．33(2)：207-210．

[7] 陈林，杨健，阳浩．电子技术综合设计性实验项目[J]. 上海：实验室研究与探索，2012．31(1)：149-153．

[8] 王育红，沈为民，余向东．注重学生个性发挥的综合设计实验改革[J].南京：电气电子教学学报，2012．34(5)：86-88．

[9] 王新辉．555集成电路构成的电容物位测量电路[J]．上海：电气自动化，2004．26(3)：167-168．

[10] 王朝玉．脉冲序列中连续脉冲宽度测量电路[J]. 上海：电子技术，1987．(6)：39-40．

[11] 胡辉主编．单片机原理与应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2007．

[12] 朱玉红．MCS-51单片机对连续脉冲宽度测量的实现[J].重庆：自动化与仪器仪表，2003．(1)：35-36．

Research and Practice of Comprehensive Design Experiment Teaching of Electronic Technology

ZHANG Yue-qin, LONG Ying, YANG Jun , WANG Xin-hui

(DepartmentofElectronicsandCommunicationEngineering,ChangshaUniversity,Changsha410003,China)

In this paper, the experience of developing electronic technology comprehensive design experiment teaching reform has been summarized and the approach to solve the key problems in teaching practice has also been put forward. Then, based on the example of capacitance measurement circuit on the basis of 555 integrated circuit, the ways of transformation, simplification and modification of the teachers research achievements has been demonstrated, so as to help develop a comprehensive design project in accord with the current teaching needs.

comprehensive design experiment; experiment teaching; experimental project development

2016-02-04;

2016-04-27

湖南省普通高校教学改革研究项目(20150521)；长沙学院教学改革研究重点项目(2012Z001)。

张跃勤(1965-)，男，本科，高级实验师，主要从事实验及智能化仪器研究，E-mail: zchzyq@sina.com

G642.423

A

1008-0686(2017)01-0135-04