基于技术路径多样化的综合电子系统设计课程教学探索

刘建成，徐 伟

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京 210044)

2017年5月国家主席习近平主持的中央全面深化改革领导小组第三十五次会议通过《关于深化教育体制机制改革的意见》，提出了“注重培养学生终身学习发展、创新性思维、适应时代要求的关键能力”。如何培养理论基础扎实，有实践创新能力，善于学习和思考的人才是高校探究人才培养模式的重要课题，前人在此方面做了大量探索。其中，使用综合类课程提高学生创新实践能力成为重要措施[1-4]。

电子类专业综合电子系统设计课程的改革思路主要有以下几类：

1)引入项目管理思想，以提高学生实践能力为主。将已有课程进行理论与实践的整合，分学期进行模块设计教学和实习[5-6]；

2)以启发学生创新为主，引入基于问题的学习。在教学方法、教学手段和考核中引入问题学习模式，培养学生的自主创新能力和实践能力[7-9]；

3)问题导向型课程学习方式[10-12]，在教学中碰到问题，及时处理问题。

本文介绍的技术路径多样化实践教学探索兼顾了实践能力培养和理论创新，是多年实践教学改革过程中提炼出来的教学方法。

1 技术路径多样化实践教学方法

南京信息工程大学的电子信息工程专业近十年发展非常迅速，在电子设计竞赛方面，由2011年全国排名200名左右，跃升为2015年的全国第20位、2017年的全国第30位。成绩的取得离不开教师和学生的努力，同时，也得益于恰当的实践教学方法。下面对学校综合电子系统设计课程中采用的技术路径多样化实践教学原则和实施方法进行详细介绍。

1.1 技术路径多样化实践教学原则

实践教学的目标决定实践教学的原则和方法，下面分析技术路径多样化实践教学的实施原则。

1)实践路径选择不影响实验成绩。

技术路径多样化实践教学的关键是提供多种实现路径。学生可以任意选择其中的一种路径进行实习，实验成绩与实践路径选择无关。保障学生能够自主、无政策导向的选择技术方案。在“互联网+”条件下，信息技术应用非常广泛，不同技术有不同的优点和适用领域。如果根据教师喜好，传授学生某一类技术而忽视其他技术，不符合“互联网+”的现实环境，也不利于学生思考和判断能力的提升。

2)实践路径选择需要有理论支撑。

选择任何一种实验路径，学生均需要提供该路径的技术选择依据。即该路径与其他路径相比，在时间复杂度、算法复杂度、成本等方面的优点、缺点、适用性、支撑理论等。学生通过对支撑理论的思考，完成了理论与实践的融合，使其充分认识到理论的重要性，为其终身学习发展奠定基础。

3)实验考核秉承公开、透明、及时的原则。

采用这一原则目的主要是培养学生的社交习惯，减少各种寻租行为发生的可能性，及时完成对学生的实验评价与反馈工作。对实验进行公开评价，能够使学生了解到不同技术路径实现的方式以及可能存在的问题，使学生今后碰到类似问题时，可以有多种选择。

坚持以上原则，可以实现培养理论基础扎实，有实践创新能力，善于学习和思考的高素质复合型人才。

1.2 实施方法

采取技术路经多样化的实践教学方法与学校的支持密不可分，学校建立了3个全开放实验室提供软硬件支撑。学院在电子类专业三年级学生中开设综合电子系统设计的实践课程，采用技术路经多样化的实践教学方法，该方法包括以下几个方面：

1)项目技术路经提示。

本科生阶段一般以知识学习为主，在有限的时间内，为了避免学生在技术路经选择上浪费过多时间，教师会给出几条可行的技术路线。建设优秀的实践项目是专业课程设计的关键。学院组织专家论证设计了一批具有一定的综合性、创新性和系统性的实践项目，并给出多条实现路径。新增项目需要经过专家论证方可进入项目库。项目的来源主要有：电子设计竞赛命题和大学生创新实践项目的转化，如程控信号发生器设计、数字频率计设计等；教师的科研项目和科研成果的转化，如简易气象参数测量仪设计；本科生的毕业设计的转化，如多点温度测量仪。

2)学生对所选择的技术路经进行理论分析和实践。

学生完成该课程需要经过三个阶段：首先分析项目技术难点，学习补充知识，寻找实现方法与技术途径；其次搭建研究、实践环境条件，通过系统规划、电路设计、仿真优化、实物搭接调试完成项目；最后撰写总结报告及答辩。

3)师生共同评价实验结果。

在实验结果的评价中，师生关系更像是企业和投资人的关系。学生需要阐述理论、展示实验成果，说服教师给予更高的评价。在结果分析、答辩、评讲及交流过程中，教师可以综合评价学生的科研潜力，以便于进一步培养。例如，建议其参加电子设计大赛、参与到教师课题组中和报考研究生等。

2 实践项目案例-程控信号发生器设计

本教学项目案例要求设计并制作程控信号发生器，能够实现正弦波信号幅度和频率的步进控制，输出信号的频率和幅度均采用键盘输入控制，并在液晶上实时显示。该案例需要学生查阅资料，掌握新知识、新技术，选择合适的新器件。完成该项目需要应用单片机技术、DDS原理与控制、LCD12864液晶显示、运算放大电路设计、程控放大器设计、衰减电路设计、幅度检测以及电压的闭环输出控制，同时还需辅以Multisim和Altium Designer才能完成该项目。该项目案例来源于全国大学生电子设计竞赛的赛题。

2.1 参数要求

利用单片机控制DDS模块输出信号的频率，利用衰减电路及程控放大电路调理输出电压幅度。同时利用AGC对输出电压实现闭环控制，以提高输出电压的精度。具体功能及参数要求如下。

1)正弦波输出频率范围：10Hz～1MHz；

2)具有频率设置功能，频率步进值可通过键盘设定；

3)输出电压幅度：在50Ω负载电阻上的电压峰-峰值范围为0.01V≤Vopp≤4.00V；

4)能显示输出信号的频率、步进值和幅度；

5)输出幅度通过键盘输入：误差小于2mV。

2.2 实践方案

程控信号发生器的参考框图如图1所示，各个模块的实现参考方案如表1所示，学生根据自身掌握的知识结构选择不同的实现方法。

图1 程控信号发生器实现框图

序号功能模块实现功能实验方案1单片机主控制器STC12C52、MSP430F169、STM32单片机2DDS模块信号产生AD9834、AD9850、AD98513减法电路去掉DDS输出信号中直流分量差分电路、同相加法、反向加法4衰减电路将减法电路输出信号分档衰减继电器衰减,电子开关衰减如LMH65745程控放大由单片机DA实现程控放大芯片采用AD603、VCA810、VCA820等6信号调理将单片机DA输出调整为合适的电压控制程控放大器减法电路、同相加法、反向加法7输出电路为负载提供较大的输出电流芯片采用BUF634、THS3091、THS3096等8幅度检测将输出电压转换为直流电压采用LTC1966、AD637等专用幅度检测集成芯片或采用分立元器件构成9显示模块显示输出电压、输出频率等参数采用LCD1206、LCD12864或数码管等显示

实验方案设计选定后查阅相关资料，经过方案论证和仿真后，方可进行实物制作。如幅度检测可以采用专用集成电路LTC1966、AD637和分立元件实现。

1)方案一 ——采用专用集成电路LTC1966实现幅度检测。

LTC1966采用ΔΣ计算技术实现了RMS至DC转换，与传统转换器相比具有应用简便、准确度更高和功耗更低。该芯片可以采用单端输入或差动输入信号，输入信号带宽为800kHz(-3dB),转换误差为±1.6kHz左右。实现参考电路如图2所示。

图2 LTC1966实现RMS至DC转换电路

2)方案二——采用专用集成电路AD637实现幅度检测。

AD637是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的交直流转换电路，对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz，它能计算任何复杂波形的真有效值。实现参考电路如图3所示。

图3 AD637实现RMS至DC转换电路

3)方案三——采用分立元件实现幅度检测。

采用分立元件实现幅度检测电路如图4所示。U1运放构成减法电路将输入信号抬高1V;D1、C1构成峰值检测电路；Q1为C1放电回路，其导通时间由V1控制，V1为占空比1‰的脉冲波信号源，频率为1Hz。

图4 分立元件实现幅度检测电路

上述3种方案均可实现幅度检测，LTC1966构成的电路结构最简单，但是频率高于200kHz时存在较大误差，需要通过单片机进行数据修正；AD637构成的电路精度较高，频率也能满足要求，但是在幅度较小时，存在一定误差，需要通过单片机进行幅度修正；采用分立元件构成的电路比较复杂，但是通用性较强，性价比较高。上述三种电路幅频特性曲线如图5所示，I/O特性曲线如图6所示。

图5 Vi=1 Vpk时的幅频特性曲线

图6 频率f=1 kHz时I/O特性曲线

近三年选择LTC1966实现幅度检测的学生占22%，选择AD637实现RMS至DC转换电路的占36%，选择分立元件实现幅度检测的学生占42%。图7为学生课程设计作品图。

图7 学生课程设计作品图

3 教学效果

学校电子类专业自2103年采用项目教学法进行综合电子设计课程教学方法以来，取得了很好的效果。

1)通过综合电子系统课程设计，学生的综合素质得到了提高。通过完成一个以工程项目为背景的电子系统的研究、设计与实现，培养学生的自主学习与实践、创新思维的能力，并达到提高学生的知识综合运用能力、表达能力、写作能力。

2)电子设计竞赛成绩显著提高。课程设计采用分组合作教学的方式，不同学生在电子系统设计的不同方向上得到了深入的训练，在电子设计竞赛中将不同能力的3名学生组队，竞赛成绩得到显著提高。表2为2013年以来取得的电子设计竞赛成绩。学生参赛获奖比例均在95%以上。

表2 2013年以来取得的电子设计竞赛成绩

4 结束语

我校电子信息工程国家级特色专业和江苏省电子信息工程品牌专业建设的经验证明，在综合电子设计课程中采用路径多样化的教学法已取得了良好的效果。在整个教学过程中，不仅提高了学生专业技能和工程实践经验，而且培养了其分析问题、解决问题的能力，为学生的后续发展奠定了坚实的基础。