謝 東，官正強，任國燕，王 敏

(重慶科技學(xué)院 a.電氣與信息工程學(xué)院;b.繼續(xù)教育學(xué)院，重慶 401331)

《電子技術(shù)》課程中的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是電類學(xué)生較早接觸的與電子、控制、測量等知識技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)性實踐環(huán)節(jié)。對工科學(xué)生尤其是電類學(xué)生而言，電子技術(shù)課程的實驗和實訓(xùn)是培養(yǎng)他們實踐動手能力，把理論知識與實踐工程相聯(lián)系的重要過程，也是熟練掌握電類基本技能的必須訓(xùn)練環(huán)節(jié)［1－2］。

目前，《電子技術(shù)》的課程實驗中，由于電路組成較為復(fù)雜，要求的硬件平臺設(shè)施多、元件成本高、損耗大，完成綜合性、設(shè)計性實驗花費時間長，需要大量精力投入，所以開設(shè)的綜合性實驗較少，部分綜合性實驗不能完全反映電子技術(shù)的實質(zhì)［3－4］。為解決這些問題，本文提出了開設(shè)電子技術(shù)綜合性實驗的原則及方法，給出了電子技術(shù)綜合性實驗的設(shè)計要素，結(jié)合模塊化的硬件實驗裝置實施綜合性實驗，即可解決部分硬件缺少的問題。不但能增加學(xué)生自主性，同時還能結(jié)合后續(xù)課程《電力電子技術(shù)》《自動檢測技術(shù)》《電力拖動系統(tǒng)》以及《自動化儀表與裝置》等課程的需要，使基礎(chǔ)性課程教學(xué)與專業(yè)課程教學(xué)有較好的銜接。

1 綜合性實驗項目設(shè)計原則及內(nèi)容

綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關(guān)的課程知識的實驗［5］。各學(xué)校會根據(jù)學(xué)校自身特色和課程體系，開設(shè)相應(yīng)的綜合性實驗項目。

實驗項目設(shè)計及實驗內(nèi)容的具體要求主要包括以下4個方面:

1)實驗?zāi)康?、實驗方案、電路結(jié)構(gòu)及實驗要點的確定。

2)電路設(shè)計分為學(xué)生自主設(shè)計部分和定型部分。

3)測試點設(shè)計和測試方案設(shè)計。

4)實驗數(shù)據(jù)記錄表格設(shè)計。

最終目的是通過實驗使學(xué)生全面認識電子技術(shù)中幾個核心要點:三極管放大電路、集成運算放大電路、功率放大電路、反饋以及它們的作用、數(shù)字門電路等。實驗項目擴充后可作為綜合實訓(xùn)項目開展，壓縮簡化后可為驗證性或設(shè)計性實驗。

2 電子技術(shù)綜合性實驗設(shè)計要素

由于《電子技術(shù)》課程是電類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，涉及面廣，不同專業(yè)要求差異大，學(xué)習(xí)深度和知識覆蓋面也有所不同。各校根據(jù)其專業(yè)特點側(cè)重不同，作為控制類專業(yè)，我們在設(shè)計電子技術(shù)課程綜合實驗時，主要考慮以下5個方面［6－8］:

1)實驗?zāi)康摹Ｒ紤]課程學(xué)習(xí)中所要求的核心知識的關(guān)聯(lián)和掌握程度，應(yīng)與課程教學(xué)大綱要求對應(yīng)，注意前后知識的呼應(yīng)和關(guān)聯(lián)。

2)實驗內(nèi)容。應(yīng)涉及課程重要章節(jié)3個以上知識點，不一定要覆蓋全部課程知識，但重點內(nèi)容不能忽視。

3)實驗手段和方法?？砂l(fā)揮學(xué)生自主性，不必按照規(guī)定的步驟開展實驗，有助于學(xué)生動手、動腦能力的培養(yǎng)。

4)仿真與實物相結(jié)合。綜合實驗電路組成復(fù)雜，連接關(guān)系多，可利用EDA軟件進行前期仿真設(shè)計和實驗。

5)充分利用已有的模塊資源，進行積木式的搭建，減少硬件成本，有助于資源配置。

本文以簡易直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計為例，擬用《電子技術(shù)》所學(xué)知識完成一個綜合性實驗項目設(shè)計，使它既較為全面涵蓋《電子技術(shù)》課程的大部分知識，又具有較強的工程背景和行業(yè)背景。本實驗項目要求全部用電子技術(shù)知識完成，而不依靠單片機。

3 設(shè)計案例

本實驗涉及兩部分內(nèi)容，一個是電機驅(qū)動電路，另一個是脈寬控制可調(diào)電路。學(xué)生通過H橋電路的連接，能很好地掌握單管共射放大電路的工作特性;通過脈寬控制可調(diào)電路的連接，能夠?qū)﹄妷罕容^器、波形發(fā)生電路等有較好的理解。

3.1 實驗內(nèi)容和要求

通過實驗達到讓學(xué)生掌握運算放大器、電壓比較器、波形轉(zhuǎn)換器、功率放大器的應(yīng)用，并使學(xué)生初步具有綜合設(shè)計的能力。

1)根據(jù)直流電機參數(shù)設(shè)計H橋路的4個晶體管，搭建主電路，掌握功放電路的設(shè)計和應(yīng)用。

2)模擬量給定的PWM電路設(shè)計，利用電壓比較器設(shè)計PWM控制電路。要求根據(jù)脈沖頻率選擇電路參數(shù)，確定電壓調(diào)節(jié)范圍，使學(xué)生掌握集成運放電壓比較器的原理及應(yīng)用，掌握電路參數(shù)、頻率、占空比計算，了解占空比調(diào)節(jié)范圍，對應(yīng)的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和速度調(diào)節(jié)范圍，將理論計算與實際工程聯(lián)系起來。

3)邏輯門電路設(shè)計，正反轉(zhuǎn)控制電路的邏輯設(shè)計。要求學(xué)生掌握基本門電路完成的脈沖封鎖和開啟的控制、倒相控制等;理解延時控制等功能的意義。

3.2 實驗原理和實驗電路

電路設(shè)計分為三個部分:主電路即H橋驅(qū)動電路、PWM波形產(chǎn)生電路、正反向控制電路。

H橋式電機驅(qū)動電路如圖1所示，它包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對應(yīng)的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。

根據(jù)直流電機參數(shù)設(shè)計H橋路的4個晶體管，搭建主電路。使學(xué)生掌握功放電路的設(shè)計和應(yīng)用，了解三極管參數(shù)選擇、二極管的作用、功放電路的應(yīng)用等。

PWM波形產(chǎn)生電路如圖2所示。它由一個三角波發(fā)生器(LM324AD和LM324AD)和一個比較器(LM324AD)組成。通過控制PWM波形的占空比和頻率，達到對電機調(diào)速的目的。

將三角波發(fā)生器輸出端與控制信號的直流電平的輸出信號進行比較，得到與控制信號大小成正比的占空比變化的方波，頻率由R5、C、R1和R2決定。

其中，R2＞R1。R2與R1的比例影響工作頻率和三角波的波幅。假定VTH是三角波的最大電壓，VTL是最小電壓，那么波幅擺幅為:

利用數(shù)字電路中門電路知識，設(shè)計正反轉(zhuǎn)控制電路，來實現(xiàn)電動機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，如圖3所示?？梢园l(fā)揮學(xué)生自主設(shè)計的能力，再加上互鎖功能和觸發(fā)翻轉(zhuǎn)控制等功能。

另外，利用小型直流電機作為測速發(fā)電機的速度反饋電路，使學(xué)生建立對反饋回路的認識。理解反饋放大電路，反饋小信號放大的作用和意義，使學(xué)生更深入了解放大電路的作用。

3.3 電路調(diào)試和測試點確定

電路調(diào)試是實驗?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵，由于不再是單一實驗，可按照模塊化結(jié)構(gòu)連接線路，先分塊調(diào)節(jié)，再總體調(diào)節(jié)。

圖1 H橋驅(qū)動電路

圖2 PWM波形產(chǎn)生電路

圖3 正反轉(zhuǎn)控制電路

3.3.1 靜態(tài)工作點的調(diào)試

接通5 V電源電壓，測試電動機兩端的電壓是否為“0”。假如不為“0”，檢查電路連接是否正確;如果正確，檢查三極管工作是否正常。若損壞就更換三極管，然后分別測出Q3、Q4、Q5、Q6這四個三極管兩兩極之間的電壓值Ube、Uce、Ubc，并記錄。

3.3.2 電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)測試

將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的PWM電路接入H橋引入端的上端，規(guī)定其轉(zhuǎn)動方向。當(dāng)電動機穩(wěn)定轉(zhuǎn)動時，調(diào)節(jié)PWM控制脈寬的調(diào)節(jié)電阻R6，觀察電動機的轉(zhuǎn)速是否發(fā)生變化，然后調(diào)節(jié)占空比在50時，分別測出Q3、Q4、Q5、Q6這四個三極管兩兩極之間的電壓值Ube、Uce、Ubc，并記錄。改變轉(zhuǎn)向后按照上述方法再調(diào)試和測試，并記錄。

3.3.3 頻率對電動機兩端電壓值的影響

將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的PWM電路接入H橋引入端的上端，使其正轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機穩(wěn)定轉(zhuǎn)動時，調(diào)節(jié)PWM控制脈寬的調(diào)節(jié)電阻R6，使其占空比在50時，再調(diào)節(jié)PWM控制其輸出頻率的調(diào)節(jié)電阻R5，用頻率表觀察其輸入的頻率。當(dāng)頻率為500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz時，分別測出電動機左(Um1)、右(Um2)的電壓值和電動機兩端的電壓ΔUm，并記錄。

4 結(jié)束語

全面利用電子技術(shù)知識的綜合性實驗項目提高了教師動手能力，也促進了將教師的工程實踐和科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。綜合性實驗項目的開設(shè)對鍛煉學(xué)生的實際動手能力，使他們將書本知識更好地應(yīng)用到實踐中有著重要意義。

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