自动化专业电子技术实验课程建设 - 图文

cultivating

1　引　言

　第24卷增刊

　2005年

theteachingqualityeffectively.

收稿日期:2005205220

研究。Tel:021262373887,E2mail:gejincui@dhu.edu.cn。

作者简介:崔葛瑾(1953-),山东人,副研究员,东华大学电工电子

教学中心主任,硕士,从事自动化专业基础教学和检测与自动化化装置

程的学习及专业技能的培养。近年来我校电工电子中心对该课程的教学方法不断进行研究,希望实验内容不仅适应目前提倡的设计性、综合性的要求,又能符合基础性教学循序渐进的规律。我们根据电子技术理论

电子技术实验是工科电子信息类专业的本科专业基础课程,也是学生在大学教育阶段进入的第一个工程性实践环节,其教学效果直接影响学生后继专业课

崔葛瑾

实验室研究与探索

自动化专业电子技术实验课程建设

(东华大学电工电子教学中心,上海200051)

RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY

CUIGe2jin

ExperimentalCourseConstructionofElectronTechnique

教学手段、考核方法不断进行研究,希望课程既能适应创新能力培养的要求,又能符合基础性教学循序渐进的规律。实验内容注重方法、技能的培养;注重与工程应用结合,提高学生的实验兴趣;借助可编程应用技术实现实验的综合性和设计性。取消实验考试,从预习、操作、报告、态度四个方面记录实验情况综合课程成绩,使学生认真对待每个实验的过程,有效提高了教学质量。关键词:电子技术基础;课程建设;实验教学;教学改革;能力培养中图分类号:G642.0文献标识码:B文章编号:100627167(2005)Z20116204

摘　要:电子技术实验是自动化专业的专业基础课程,东华大学电工电子中心近年来对该课程的内容、

(ElectricianandElectronEducationCenterofDonghuaUniversity,Shanghai,200051,China)

interests.Thequalityofsynthesisanddesignisimplementedassistedwiththeapplicationoftheprogrammabletechnique.

2　注重实验方法和技能的训练

Insteadoftheexamination,thecoursescoreswillbeachievedfromfouraspects’records22thepreparation,operation,report

cultivating,andaccordwiththestep2by2steplawoffundamentalteaching.Theexperimentcontentstressesonthepracticeof

researchedonthecontents,teachingresortsandexaminingmethodscontinuallybyElectricianandElectronEducationCenterof

Abstract:Theexperimentcurriculumofelectronicsisoneofthespecializedcorecoursesofautomationsubject,whichis

DonghuaUniversityinrecentyears.Thecurriculumarchitectureisexpectedtoadapttherequestsoftheinnovativeability

themethod2andtechnique,whichisincorporatedintotheapplicationoftheprojectinordertoincreasethestudents’

andattitude.Themeasureaboveisaimedatmakingthestudentstreattheprocessofeveryexperimentseriouslyandenhancing

Keywords:electrontechniquefoundation;curriculumconstruction;experimentinstructing;teachingreform;ability

模拟电子技术理论课程的教学重点是器件或电路

功能和原理的分析,所以相应的实验一般也以验证性

课程的教学特点,模拟电子实验以验证性为主,结合实验技能、实验方法的培养;数字电子实验相对偏重于设计性,并力求体现趣味性、实用性和扩展性。实验要求从分析到设计逐步提高,实验内容从基础向综合逐步发展。层次较低的学生可以完成基本内容,能力较强

的学生也有发挥扩展的余地。同时,我们增加了基于FPGA的可编程技术实验内容,通过计算机的辅助提高教学效率,为学生提供一个充分发挥的实验平台,切实锻炼了学生的综合素质和实践技能。

Vol.24Sup.　

2005　

　增刊

3　实验内容体现应用性、趣味性和综合性

值衰减、直流电平调节、对称度调节对函数信号的影响。希望学生了解示波器的显示方式、耦合方式、触发方式、触发源选择、触发电平调节等功能,基本掌握示波器的常规操作,能够比较熟练地调节、稳定显示波形,进行信号的幅值、周期和相位差的测量。传统的实验教学是理论教学的附属手段,实验内容是理论知识的验证。学生对实验内容大多不感兴趣,采取了应付或完成任务的态度。为了改变这种现象,提高学生对电子实验的兴趣,我们从以下几个方面

参数测试和集成施密特触发器应用实验中,也要求学生采用示波器直接观察逻辑门的电压传输特性曲线和施密特触发器的滞回特性曲线,反复训练学生操作示波器的能力。

对电子技术实验的内容进行了调整。3.1　实验内容联系工程应用

我们在开发实验内容时注意理论知识与工程应用背景结合,使学生通过实验了解器件或电路的实际应用方法和注意事项。

显示功能和操作方法。

在运算放大器的线性运用实验中采用示波器直接显示特性曲线,可以直观地观察到运算放大器的线性输出的电压范围,感性认识其限幅特性,而且可以了解输出线性范围与电源电压的关系。在TTL逻辑门电路电子器件电压传输特性是体现器件功能的一个重要指标,可以采用不同的实验方法测试。用电压表分别测试不同输入时的输出电压逐点描出电压传输特性是最简单的方法,但无法测试曲线变化率较大特性关系。在器件或电路的输入端加三角波信号,并用双踪练。

比如,在实验课程的开始阶段,我们结合二极管和稳压管电路实验安排了函数发生器使用练习和示波器使用练习。要求学生通过实验熟练掌握函数发生器的操作,了解函数信号与TTLΠCMOS信号的不同,了解幅示波器同时观察输入、输出波形,可以根据两者瞬时值描出电压传输特性。如果输入锯齿波信号,示波器显示采用XΠY方式,可直接观察到器件或电路的电压传输特性。我们在实验教材中介绍了这三种测试方法,学生可以自由选择、比较,但必须掌握示波器的XΠY为主,比如交流放大电路、功率放大电路、负反馈放大电路的参数测试,运算放大器的信号运算功能测试等。这些实验的内容虽然比较传统,但实验的方法是自动化专业工程技术人员必须掌握的基本技能。所以,我们在实验内容中注意强化实验技能和实验方法的训

比如,模拟开关是自动控制系统中的一个常用器件,我们结合CMOS传输门4016设计了相应的实验。

崔葛瑾:自动化专业电子技术实验课程建设

117

3.3　实验内容具有综合性

容很感兴趣,选择了不同的显示字符组合,提高了参与实验的积极性。

在数据选择器实验中我们增加了一个报警电路设计的内容,要求学生用数据选择器选择两个不同的音频信号通过晶体管驱动控制蜂鸣器,发出警鸣声。选

器被触发时输出脉冲信号。因为信号频率受三角波调制,所以蜂鸣器的音调会发生变化。尽管门铃的音调不优美,但学生通过这个实验,掌握了门铃电路工作原理,同时了解了脉冲调制的概念和特性。3.2　提高实验内容的趣味性

制模拟信号、被控模拟信号幅度与控制逻辑信号电平有关、模拟开关存在导通电阻等概念,对模拟开关的应用有了非常感性的认识。

脉冲调制是调速系统的一个基本概念,我们结合555定时器的实验引入了频率调制的内容。实验内容

为了丰富实验内容,使学生在有限的实验课时内接触尽可能多的知识点,我们设计了一些具有综合内容的实验项目。

比如,在触发器功能测试实验中,我们插入了“竞

择器的使能端由报警信号控制。这个实验的效果很好,不仅使学生掌握了数据选择器的应用方法,而且了解了音频蜂鸣器的工作原理和晶体管集电极驱动电路的设计方法。有个开始对实验很漠然的学生在完成此实验后异常兴奋,主动要求把前几个实验重做一遍。

为吸引学生的学习兴趣,我们力图使实验结果直观、有趣。比如,组合逻辑门应用实验是要求学生用逻辑门设计一个编码显示电路,显示内容自选。实验结果是根据逻辑开关控制一个七段显示器显示不同的字符,如“P、L、A、Y”或“H、E、L、P”等。学生们对实验内

内容除了用传输门组成的与非、或非逻辑门外,主要是了解传输门作为模拟开关在控制电路中的应用。通过用传输门切换电容改变串联谐振频率实现程控选频电路、用传输门切换反馈电阻改变放大倍数实现程控放大电路等实验,使学生了解模拟开关通过逻辑信号控

之一是设计一个门铃电路,由555定时器构成一个多谐振荡器和一个单稳触发器。多谐振荡电路的输出控制蜂鸣器,而电路中555定时器的复位端RST(4脚)由单稳触发器的输出控制、控制端CON(5脚)由1Hz左右的三角波信号控制。这样,多谐振荡器在单稳触发

争冒险”的内容,由互补信号通过逻辑门产生的“冒险”干扰脉冲控制计数状态的触发器。尽管“冒险”脉冲非常窄,几乎无法用一般的示波器观察到,但学生通过触发器的状态翻转了解了“竞争冒险”现象对电路的影响,同时理解了“边沿”触发的概念。

有些实验的过程是逐步递进、内容层层扩展的。比如数模转换实验,首先采用计数器的输出作为DAC

118

内容。

　　　　实

4　FPGA实验体现系统性和设计性的模数转换方式,使学生比较不同量化方式对模数转

换输出值的影响。虽然实验的内容比较多,几乎涉及了数模转换和模数转换的全部基本概念,但电路是逐步增加的,学生可以根据自己的能力完成不同程度的

当学生基本掌握软件操作后,实验内容向设计性转化,但设计的难度不高。比如,邮票自动销售控制电路,动态扫描显示电路等。设计思路与理论课中的习题相似,学生经过思考,基本能够完成电路设计。

的输入实现一个锯齿波发生器,了解数模转换的工作原理和数模转换分辨率的概念。然后增加一个电阻叠加偏移电压构成偏移二进制码双极性输出,了解数模转换输出极性的扩展方法。最后增加一个比较器和二极管嵌位电路,由输入模拟电压控制计数器的使能,实现了计数型逐次比较模数转换电路。重新选择电阻阻值使偏移电压为VLSBΠ2,可以构成四舍五入量化方式

超大规模可编程逻辑器件的应用是目前电子技术发展的一个新领域,它依赖于计算机技术的辅助实现时解决电子技术实验系统性内容受实验单元教学课时制约、设计性内容受实验室元器件储备条件限制的问题。

我们采用了ALTERA公司的FPGA器件EPF10K,开发软件为QuartusⅡ。通过半加器—全加器—多位加法器以及计数器—多重分频器这样简单的、渐进的实验,介绍QuartusⅡ的操作功能。由于目前学生的计算机应用能力普遍较高,通过两、三个单元(4～6学时)的学习,基本能够掌握电路图形文件编辑、编译、电路仿真、系统适配、熔丝图文件下载等流程。

但都可以采用数字电子技术课程中介绍过的基本功能器件实现。我们在实验教材介绍了电路的工作原理和分析思路,启发学生通过预习完成电路设计,然后在课内完成电路的编辑、仿真和调试。

在QuartusⅡ图形文件编辑过程中,输入器件型号即可调出所需器件(如四位集成数据比较器7485、可逆十进制计数器74190等),对刚学了数字电路课程的

　验　室　研　究　与　探　索

的功效。

为了使学生了解电子系统一些常用电路的工作原

理和设计方法,FPGA最后几个实验的内容具有一定的系统性。比如,交通灯控制电路、具有整点报时和校时功能的数字钟电路、按键阵列扫描显示电路(采用二极管点阵显示键符)。这些电路的设计具有一定的难度,

数字系统的设计和仿真,不需连线即可实现资源庞大的片上系统。我校自动化专业的电子技术实验课程的教学计划是48学时,而其他信息类专业为28学时。所以我们将超出的20学时安排为基于FPGA的可编程技术实验,目的是使学生接触、了解这项新技术,同

5　教学手段和考核办法的改变第24卷　

时间不能超过5分钟。在实验过程中主要解答学生有

(下转第133页)

开放做一些可行性的研究。

在实验课程开始时,我们把教学要求和评分方法书面告知每个学生。要求学生在实验前认真预习教材,充分了解实验目的、实验内容,分析实验原理,考虑实验操作步骤,熟悉仪器使用方法。实验中要求仔细

观察实验现象,认真记录实验数据和信号波形,思考实验现象和实验数据是否符合理论分析,及时发现并校正实验过程中的失误。实验中出现的问题要求独立判断解决,学生可以向任课教师汇报故障现象,以便教师帮助分析提示故障查找方法和思路,但不能要求教师

再进行考试。实验态度是指到课情况、规章制度的执行情况以及实验过程的独立性和自主性。预习情况主要记录预习报告是否完成要求的预习内容。操作情况主要记录对实验过程的熟悉程度、实验仪器使用的熟练程度、实验数据的准确度、实验问题的解决能力以及

代为操作。

电子技术实验采用一人一组独立操作,原则上不进行实验考试,以平时的实验情况作为课程成绩。每次实验都按态度、预习、操作和报告四个方面记录每个学生的实验成绩,期末作为课程成绩的依据,原则上不

为了提高学生参与实验的主观能动性,我们尝试改变电子技术实验课程教学方法,为实验课程的全面

在规定课时内完成的实验内容。实验报告主要记录报告撰写是否规范,数据处理是否正确,思考题的完成情况等。

每个实验的内容都分基本部分和扩展部分。基本实验内容必须在课内时间完成,如果没有完成可另找

学效率较高。

FPGA实验不仅使学生积累了电子电路应用、设计方面的知识,拓展了思维方式;而且对大部分学生而言,通过数字集成功能器件的系统应用,进一步加深了对数字电子技术课程理论知识的理解,达到一石二鸟

课外时间继续,但课外完成的实验操作成绩只能记录为“及格”。如果有30%以上的实验没有在课内完成基本内容,则必须参加实验考试。

实验任课教师在实验前只对第一次接触的设备、器材以及要特别注意的事项做简单介绍,原则上介绍

学生而言使用非常方便。而且QuartusⅡ的基本元件库几乎囊括了所有中规模集成器件,学生的设计基本不受器件资源的限制,实现了真正意义上的自主设计。由于电路的实现、仿真、修改比较容易,减少了低水平、重复性的教学耗时,使学生的精力集中在设计方面,教

　增刊

模型结构

NNARX

5　结　论

摆角;实线为实测值,虚线为训练值)。

课教学特色;强化实践环节,提高学生的专业技能,强化能力培养和突出创新等目的,实现了预期的效果。(上接第118页)

训练次数

(上接第115页)

表1　网络训练参数表

63

时间(s)

0.38

图5　NNARX模型检验辨识结果图

精度(sse)

1.2142e2005

实践证明,这样的教学和评分方法收到了很好的

效果。不仅使学生真正重视每个实验的预习和操作过程,提高了实验教学质量,而且使实验成绩的评分更加客观、公正,受到学生的普遍认同。

　　由表1和图5可见,NNARX模型能较好的逼近非线性倒立摆系统,训练速度、精度都能满足要求。同样的,也可以改变隐含元的个数,讨论其对于训练结果的　

多年的教学实践证明,电子技术实验课程建设取得了一定的效果。学生的思维方式和实验技能都有明显改善,具体反映在后继专业课程的学习和实践环节

和实际动手设计的能力;通过双语教学环节,强化了专业英语学习,培养了直接从国外前沿科学文献学习专业知识的能力。达到了:调整课程内容、加强基础、培养素质和适应专业发展需要;改进教学方法和手段,提高专业课教学效果和质量,发展学生个性和形成专业

课程结束前,实验任课教师综合平时记录给出课程成绩。根据具体情况,有若干学生需要参加操作考试以决定最后的课程成绩。如果对任课教师给出的成绩有异议,学生也可以自己要求参加考试,课程成绩即以考试成绩决定。

关实验原理、实验方法方面的疑问,观察并记录实验情况,解决实验设备或器材出现的问题。对学生实验中出现的问题,根据故障现象提示分析思路和查找方法。

现。

出版社,2004.

影响。

5　结　语参考文献:

参考文献:

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中。特别是自动化专业的学生,通过FPGA实验的训练,对数字电子技术理论课程的理解和数字电子系统的应用能力普遍要高于其他专业的学生,这在数字电路课程考试和全国大学生电子设计大赛中都有所体

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