模块化电工电子工程应用实验平台

发布时间：2022-10-05 21:42 热度：

　　为应对专业认证中复杂工程问题能力培养，研发了单元电路实验与系统实验于一体的电工电子工程应用实验平台，学生在完成基本单元电路实验的基础上，可进一步完成由其中大部分单元电路构成的电机调速系统实验。此实验平台在满足模拟电子技术基础单元实验要求的同时，也能开展综合性实验满足工程专业认证强调复杂工程问题能力培养的要求，从而满足了新工科建设对人才培养质量的更高要求。

　　关键词：电工电子；模块化；工程应用；实验平台

　　为在专业基础课阶段初步培养学生的复杂工程问题解决能力，以及学生的工程系统意识、动手实践能力，设计了一种电工电子工程应用实验平台。该实验平台既可以让学生独立完成某个模块的实验，也可以是一个自动化控制系统，让学生理解开环与闭环的自动控制过程。实验平台打破以往模拟电子技术实验项目相对独立的教学形式，让各独立的模块可以组合成一个控制系统，让学生了解每个模块在实际工程系统中的应用，充分体验工程项目设计、开发、调试等过程，让学生成为工程实践者的角色。模拟电子技术实验课程是电子信息类专业的一门重要的基础实践课程。通过验证性、设计性、综合性实验，加强理论和实践相结合；培养学生的工程实践基本技能，使学生能正确使用常用电子仪器；掌握模拟电子电路的实验研究方法，培养学生能够正确使用集成电路芯片，培养学生独立自主学习、分析问题和解决问题的能力。模拟电子技术实验教学平台的构建是影响实验教学效果和培养学生动手实践能力的主要因素之一，即学生在实验过程中所使用的硬件平台是否符合现代电子技术发展需求，是否满足电子信息类专业的毕业要求，直接影响到学生做实验的效率及做实验的兴趣、信心和情绪。好的实验平台，对提高学生完成实验的收获时间比、培养学生实践创新能力有十分重要的作用[1-2]。

　　1自主研发电工电子工程应用实验平台的意义

　　在模拟电子技术实验课程中，每个单元实验都是孤立出现的，学生大多是记录输入输出的波形或数据，并不清楚具体如何应用，导致学生的实验学习兴趣不足，对所学知识感受不深，也不利于提高学生的工程意识[3-4]。为贯彻工程教育专业认证强调解决复杂工程问题的理念，自主研发集“复杂性、系统性、工程性”于一体的创新性实验仪器—电工电子工程应用实验平台。精心研制复杂工程系统作为实验系统，设计完成某种具体工程任务的集复杂性、系统性、工程性于一体的实验仪器，培养学生系统性、工程性思维，训练学生解决复杂工程问题的能力。复杂性是指该实验装置将多个单元实验项目巧妙组合设计在一个实验仪器中；系统性及工程性是指该实验装置是一个实际的电机调速控制系统，通过加装温度传感器或触摸传感器可以自动控制电机的转速变化(可以看成是一个具有自动调风功能的风扇)，学生可以直接看到自己所做实验的实际效果，与真实工程系统完全一样，可以清楚地看到每个单元实验电路在整体系统中所起的作用，加深对所学理论知识的掌握并增强将其应用到实际工程中的能力。

　　2电工电子工程应用实验平台的设计

　　2.1实验平台结构及功能

　　平台采用模块化结构，分为基础模块和应用模块两个部分。基础模块主要包含单管放大电路、负反馈放大电路、差动放大电路、比例运算放大电路、积分-微分运算电路、加减法电路、反相器、电压比较电路、波形信号处理驱动电路、数据隔离电路、单相交流电、三相交流变压变流电路、数据显示处理电路等模块。应用模块主要包含灯光亮度控制模块、电机速度控制模块等。应用模块负载可以根据不同专业特色采用不同的负载，机电类可采直流电动机作负载，转速控制；自动化可采PTC加热器作负载，恒温控制；非电类采用灯光，光亮度控制等。基础模块中的每个电路都可以单独作为一个实验项目，从基础模块中选若干个模块和某个应用模块组合在一起构成一个完整的控制系统。实验平台实物图及电路结构图设计如图1和图2所示。

　　2.2实验平台关键模块设计

　　2.2.1脉冲驱动模块电路设计脉冲驱动模块电路采用三极管8050对输入小信号进行放大，三极管8050应用范围很广，主要用于高频放大，也可用作开关电路。放大的输出信号驱动后面的变压器及三相全控桥正常工作，从而带动负载(电机或灯泡)运行[5-6]。图3为6路脉冲驱动电路。2.2.2触发模块电路设计触发模块电路主芯片采用集成芯片KC785，KC785可控硅移相触发器的主要作用是在三相全控桥式供电装置中作可控硅的双路脉冲移相触发，KC785电路有两路相位差180度的移相脉冲输出可构成全控桥式触发线路。该芯片具有输出负载能力大、移相性能好，正负半周脉冲相位均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求小，有宽脉冲输出且价格低廉等特点[7]。单路触发模块电路如图4所示。

　　3电工电子工程应用实验平台的应用

　　实验平台和模拟电子技术实验课程紧密结合，为全校电子信息类专业开设的模拟电子技术实验课程提供硬件设备，同时也为每年的实验技能竞赛提供硬件设备。电子电工工程应用实验平台可做的实验项目如表1所示。为了检查学生是否能够正确完成实验内容，达到预期成果，在每次实验内容中设置两个检查点，进行实验过程监控，以实验项目1、5、10为例，这3个项目对应的检查点如表2所示。本实验平台可以作为一个模拟电子技术实验教学平台，可以让学生独立完成某个模块的实验；也可以是一个自动化控制系统，完成电机转速、灯泡光亮度等等自动控制的过程，让学生理解开环与闭环的自动控制过程。实验平台打破原有模拟电子技术实验项目相对独立的教学形式，让各个独立的模块可以组合成一个控制系统，让学生了解每个模块在实际工程系统中的应用，充分体验工程项目设计、开发、调试等过程，让学生成为工程实践者的角色。

　　4电工电子工程应用实验平台的特色

　　4.1平台是一个自动化控制系统

　　可以演示电机转速、温度，灯泡光亮度等自动控制的过程。让学生理解开环与闭环的自动控制过程。充分体验工程项目设计、开发、调试等过程，让学生成为工程实践者的角色。

　　4.2采用模块化结构

　　各模块等同于独立的实验模块，可以实现不同的实验项目。学生既可以在已有的实验模块上做实验，也可以自己设计实验模块进行实验，充分锻炼学生的动手实践能力。

　　4.3打破以往实验项目相对独立的教学形式

　　让各个独立的模块可以组合成一个控制系统，让学生了解每个模块在实际工程系统中的应用。

　　4.4平台控制系统负载可以根据不同专业特色采用不同的负载

　　机电类可采直流电动机作负载，转速控制；自动化可采PTC加热器作负载，恒温控制；非电类采用灯光，光亮度控制等，满足不同专业培养学生的毕业要求。

　　4.5平台具备两种模式

　　第一种模式是考核模式，该模式下可以预设故障，让学生排除故障，检查学生掌握实验的程度；第二模式是实验模式，该模式下学生可以改变电路参数，供实验使用。

　　5结语

　　实验平台和电工电子实验中心实验教学课程体系密切结合，既培养了学生的工程意识和动手实践能力，又帮助学生了解每个模块在实际工程系统中的应用，让学生成为工程实践者。借助该实验平台，不仅可以满足电子信息类专业模拟电子技术实验课程基础实验的教学任务，同时还可满足综合课程设计实验及研究型实验的要求，有利于促进实验教学的进一步改革，有利于提高实验教学质量和效果。实验平台可在满足模拟电子技术基础单元实验要求的同时，开展综合性实验满足工程专业认证强调复杂工程问题能力培养的要求，从而满足了新工科建设对人才培养质量的更高要求，同时，尚未查阅到其他高校或研究单位有相关类似实验装置，本实验平台已获专利授权并已与企业签订成果转化协议，未来将和更多的公司合作进行批量生产销售，降低成本，推广至全国各大高校在实验教学中使用。

　　参考文献

　　[1]程春雨,吴振宇,吴雅楠,等.适于层次化教学模拟电子技术实验平台的研制[J].实验室科学,2014,17(5):34-37.

　　[2]于蕾,谢红,朱海峰.模拟电子技术实验平台研究与设计[J].实验科学与技术,2016,14(6):73-76.

　　[3]汪雨冰,王睿,卫克,杨罕.开放式模拟电子技术实验平台在教学中的应用[J].科技展望,2015(16):181.

　　[4]李桥鸣,刘涛.一种高性能模拟电路实验平台的研制[J].电子世界,2017(3):89-90.

　　[5]王革思.“模拟电子技术”课程开放式实验教学平台的研究与实践[J].实验技术与管理,2014(8):170-173.

　　[6]刘小艳,金平,张尊侨.EC-Ⅰ电子电路实验平台研制[J].实验技术与管理,2011(6):61-63.

　　[7]叶轻舟,陈健.模拟电子电路“虚”“实”结合实验平台方案的设计[J].电子科技,2010(1):104-106.

　　作者：陈安 梁远博 胡兆勇 万频 谢小柱