朱栋 冯成涛 储开斌

[摘 要] 为提高应用型本科院校电子工程专业学生对“电路分析”“模拟电子技术”“数字电子技术”等课程中理论知识的应用能力，在“电子技术”课程设计这门实践类课程中，以数字化超声波发生器电路为案例，引入项目化教学方法。超声波发生器涵盖“三电”课程、“EDA技术”课程、“数字信号处理”课程中多个重要知识点，其电路工作原理为振荡电路与超声波换能器组成RLC串联谐振电路，并利用反馈环控制振荡电路的频率以实现换能器谐振频率的跟踪。经过该项目的实践，能够极大地加深学生对电路理论的理解、提高对电路相关开发软件与常规仪器仪表的应用能力，能使学生初步具备解决复杂工程问题的能力，课程所导向的教学目标明确，契合工程教育的要求与理念。

[关键词] “电子技术”课程设计;项目化教学;数字化超声波发生器;教学改革

“电子技术”课程设计是为提高电子工程及相关专业本科学生理论应用能力和实践能力而开设的重要课程之一。近年来，由于本科学生的考研压力与日俱增，学生往往更注重理论知识的学习，而忽视实践类课程对实践能力的提升作用。相反，国外一流大学，本科阶段毕业所需的总学分只有120分左右，更多地鼓励学生参加实践活动。国内一些学者已经利用项目化教学法对该课程进行了非常有意义的探索与改革，如围绕“以学生为主体，以教师为主导”的现代教育理念进行选题、设计过程、评价体系优化的研究[1]，采用CDIO工程教育模式的项目教学法，将题目的设计分为课题分析和方案论证、方案设计、方案实现和总结及成果展示四个阶段来组织教学的研究[2]，基于Knowledge-Ability-Quality（KAQ）理论的项目教学法探索[3]，基于虚拟仿真的教学方案改革[4]。

上述文献均侧重教学理论和教学方法的研究，本文则针对“电子技术”课程设计的课题新颖性的不足，引入超声波发生器这样的实际工程案例。经过具体案例的磨炼，学生能把平时学习的理论知识运用到实践中来，通过实践又能加深理论的认知，真正让高等教学达成认知—实践—认知的闭环回路。

一、问题提出的历史背景

超声波发生器把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，去驱动超声波换能器。目前，市场上的超声波发生器多以模拟式超声波发生器为主，这种模拟式超声波发生器具有可靠性差、转换效率低、跟频效果差等诸多缺点，已经很难胜任日益高速化的工业生产焊接需求。

而采用数字电路的超声波发生器，能够更好地消除超声波换能器温度漂移等常见模拟机难以克服的缺点，可方便快捷地进行参数的制定与调节，能够通过改变程序软件灵活调整控制方案以及实现多种新型控制策略，同时可减少元件的数量、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性，而且还可以实现人机交互、远程控制、故障在线监测和自动诊断。

数字式发生器具有更长的使用寿命、更高的转换效率、更精确的频率控制，以及便于实现数字化控制等优点。目前，数字式超声波发生器多以单片机作为主控处理器产生脉冲宽度调制（PWM）波，结合最大电流搜索法实现频率跟踪[5，6]，基于FPGA（现场可编程门阵列）的数字化频率高分辨率的超声波发生器项目能够实现输出信号频率的精确控制、换能器电压与电流相位差的精确测量和频率的快速跟踪，对学生理论功底的夯实、应用能力的提高、创新思维的培养都有明显的推动作用。

二、数字化超声波发生器电路设计

基于FPGA的数字化超声波发生器电路主要由现场可编程门阵列（FPGA）数字逻辑电路、模拟的驱动/转换电路和单片机三大部分组成，如图1所示，其核心部分是FPGA数字逻辑电路，难点在于频率控制字的反馈控制。

数字化超声波发生器电路的工作原理为：FPGA片上DDS根据频率控制字K产生对应频率的正弦波，将正弦波与某一电平进行电平比较并产生具有一定占空比的数字方波;数字方波经功率放大与隔离电路处理后驱动超声波换能器，将超声波换能器的电压、电流信号转换成逻辑方波送到FPGA内测量它们的相位差;再根据电压与电流的相位差测量结果，调节频率控制字K，改变输出方波的频率，以减小电压与电流之间相位差。通过这样的闭环反馈迭代，使超声波换能器始终工作在其谐振频率点上，解决换能器随环境温度谐振频点漂移问题。调节正弦波的比较电平就可以改变换能器上所获得的电压的有效值，從而调节整机的输出功率。

FPGA内的数字逻辑电路主要功能是基于直接数字频率合成器（DDS）产生驱动超声换能器的具有一定频率和占空比的数字逻辑方波信号，以及测量超声波换能器电压与电流的相位差，并根据相位差测量结果反馈控制DDS的输出频率。涉及DDS的基本原理、快速傅里叶变换（FFT）的原理、有限冲击响应（FIR）滤波器、坐标旋转数字计算（CORDIC）算法测相角等重要知识点，以及利用硬件描述语言（HDL）编程语言实现滑窗均值求解等常用的信号平滑和去噪手段。

模拟电路部分的主要功能是对驱动信号进行放大，并使用变压器隔离的方式驱动超声波换能器。同时，对超声波换能器两端电压及其电流进行比例缩小，以适应低压的运算放大器，并基于运算放大器构成比较器产生电压/电流逻辑电平方波。该部分涉及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率放大电路、全桥整流的AC-DC转换、变压器、电流—电压转换电路、运算放大器电路等模电课程的重要知识点。使用IGBT功率管，需要专用的隔离驱动芯片。让学生查阅驱动芯片的相关英文资料。通过阅读英文资料，还能提高学生专业英语的理解和写作水平。

如图1所示的数字化超声波发生器电路，其创新点在于：（1）利用DDS作为频率源，DDS产生的正弦波频率分辨高，且频率调节方便，有助于学生理解DDS的原理。正弦波经过比较器得到数字方波，改变比较电平就能改变数字方波的占空比，从而调节超声波换能器上的电压有效值;（2）利用数字方波去驱动超声波换能器，数字方波能够使IGBT功率管工作在截止区和饱和区，驻留在放大区的时间非常短，这样大大降低了功率管上消耗的功率，减小了发热量，使学生在电路设计的时候有意识地考虑电路的功耗等因素;（3）利用快速傅里叶变换测量正弦波的相角，测量精度更高，同时有助于学生理解傅里叶变换的本质就是时频域变换，加深对数字信号处理理论的理解和应用。

基于上述创新点，数字化超声波发生器电路具有超声波频率分辨率高、快速自动跟频、配置灵活、整机发热量小等优势，能够应用于各种类型的超声波发生器。

此外，利用单片机为FPGA进行数字逻辑处理电路中参数值的初始化，FPGA内的参数接收模块通过通用输入输出（GPIO）口连接单片机的可编程IO口，以串行外设接口（SPI）总线方式（数据位、数据时钟、数据有效标志位）接收比较电平、频率控制字K初值、相位差比较门限参数。单片机端编写模拟SPI串行总线传递参数的C语言程序，让学生快速掌握单片机编程的基本能力。FPGA端的参数接收模块编写移位寄存器和锁存器的HDL程序用于接收参数，使学生熟练掌握D触发器和延时寄存器的应用。利用FPGA片内的全局时钟网络配置FPGA片内数字逻辑电路所使用的主时钟，减少时钟的寄存器至寄存器之间延时，使学生理解信号在寄存器之间传输时所需满足的建立和保持时间的最低要求，学会FPGA时序约束的基本方法。

三、教学方案设计

该课程设计48学时，其中，教师理论课讲解8学时，每次2学时，依次讲解DDS原理与其IP核的应用、IGBT功率放大电路、快速傅里叶变换与其IP核的应用、CORDIC测角原理与其IP核的应用，学生在课后利用Multisim或Matlab软件完成相关电路或原理的仿真操作，理论课结束后要求每位同学针对以上4个重要知识点完成一份关键技术研究报告，并对每位学生的关键技术研究报告进行打分，作为总评分的一环。实验课40学时，每次4学时，学生在教师的指导下在实验室制作实物，每次实验课配备两位指导教师。

考虑到高压部分的制作对于没有经验的学生来说，有一定触电危险性，因此模拟的功率放大电路只进行12V以下的放大，超声波换能器采用等效的RLC串联电路来代替。整个超声波发生器电路可以由6～7位学生协作完成，分别完成FPGA编程（含方波产生部分、FFT部分、CORDIC测相角部分）、单片机编程、模拟电路（功放电路部分、电压/电流转换电路部分）。10次实验课大致计划为：前6次课学生分头完成各自研发任务;接下来的2次课完成整机的联调联试;最后2次课完成项目总结报告和汇报PPT，并进行现场汇报。每组电路总成本大约150元，模拟电路所需元器件耗材大约50元，制版和电装费大约100元，其中FPGA开发板、单片机开发板可以重复使用，只需一次性投资。完成超声波发生器电路只需稳压电源、万用表、示波器、信号源、电烙铁等电工实验室最基本仪表和设备，无须添置仪器。每组设组长一名，除了承担相应的研发任务外，还要进行项目管理，包括建立团队例会、会议记录归档、中期检查、项目结题验收等过程管理制度。最后，对每组的实物和报告进行打分，同时结合每位学生的关键技术研究报告得分，给出各位学生总评成绩。

综上所述，数字化超声波发生器电路所需要的开发平台，其硬件部分包括FPGA开发板、单片机开发板以及一些基础的仪器仪表，软件部分包括用于仿真的Matlab和Multisim，用于FPGA和单片机开发的Quartus和Keil软件，以及用于PCB板設计的Cadence。

四、达成度评价

从理论分析能力、开发软件应用能力、数字逻辑电路设计能力、模拟电路设计能力、文档制作与汇报能力五大项目建立达成度评价标准，每项各占总达成度的20%。每一大项又有很多分项，如理论分析能力大项包括DDS原理、FFT原理、FIR滤波器、CORDIC原理4个子项;开发软件应用能力大项包括Quartus、Keil、Matlab、Multisim、Cadence5个子项;数字逻辑电路设计能力大项包括HDL编程、IP调用、时序约束、层次化设计4个子项;模拟电路设计能力大项包括全桥整流电路、晶体管功放电路、运算放大器电路、隔离与保护电路4个子项;文档制作与汇报能力大项包括文档的完整性、文档的规范性、PPT、口头汇报、现场质疑应变5个子项。最终，根据各个子项的得分，累计得出总达成度。另外，制作调查问卷，根据学生对于本课程新案例实施过程的反馈意见，做到持续改进，不断优化整个课程。

五、结语

作为项目化“电子技术”课程设计教学改革的探索，数字化超声波发生器电路能够提升学生全方位的能力，首先能把书本上枯燥的电路谐振、晶体管放大电路、傅里叶变换等理论知识生动现实地展现在学生面前，让他们对理论的理解更加深刻;其次，能够提高学生搭建实际模拟电路、数字逻辑电路的能力，在电路的构建过程中不仅要考虑技术可行性，还要考虑散热、耐压、时序约束等实际工程上必须考虑的问题，提高电路的可靠性和鲁棒性;再次，提高学生的C语言和HDL语言的编程能力，重点培养学生的编程思维，而不用太关注高级语言的语法问题;最后，通过撰写报告、设计PPT、总结汇报等，提高学生的文字表达能力和语言沟通能力。通过这种复杂项目的锻炼，不仅能够将本科阶段所学知识点串联成一张知识网，还能使学生从中真正获得解决实际工程问题的能力，提高他们的团队协作精神，提升学生使用工程中常用开发和仿真软件的熟练度，提高学生项目过程管理能力，提高学生英文资料的阅读能力，全面提升他们在工程项目中所需的各种能力。

参考文献

[1]臧利林，魏爱荣，徐向华.“电子技术课程设计”教学方法研究[J].电气电子教学学报，2020（4）：83-86.

[2]王波，王美玲，刘伟，等.基于产出导向的电子技术课程设计教学改革[J].实验室研究与探索，2019（9）：224-227.

[3]刘盾，赵文慧，倪晓昌，等.基于KAQ理论的项目教学法在电子技术课程设计中的应用探索[J].教育教学论坛，2018（2）：162-163.

[4]陈锦儒，郑春龙.基于虚拟仿真的电子技术课程设计教学改革[J].实验室研究与探索，2020（6）：100-106.

[5]马付建，焦首岳，沙智华.用于旋转超声加工的超声波发生器频率跟踪策略[J].中国工程机械学报，2020（5）：377-383.

[6]原艺博，李琳，刘海龙.一种频率可调超声波发生器设计[J].太赫兹科学与电子信息学报，2020（2）：339-344.