大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽應(yīng)用探討

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電路原理是我校電氣工程及其自動(dòng)化的一門重要的基礎(chǔ)課，教材中所講述的電路模型和基本定律比較抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中往往只會(huì)利用理論知識(shí)分析電路圖，本文以大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為導(dǎo)向，對(duì)電路原理課程進(jìn)行教學(xué)改革，通過(guò)競(jìng)賽中的一個(gè)具體任務(wù)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，不僅有利于教學(xué)和科研的相互促進(jìn)，同時(shí)也讓學(xué)生充分了解電氣工程專業(yè)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)。

1引言

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（趙妮娜，競(jìng)賽式教學(xué)在電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013(15)：44-46）作為四大競(jìng)賽之一，是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一，競(jìng)賽的主要特點(diǎn)是與高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結(jié)合，從而推動(dòng)課程教學(xué)、教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等相關(guān)工作。蘇州大學(xué)建校歷史悠久，機(jī)電工程學(xué)院自2003年以來(lái)組隊(duì)參加了歷年的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的積累和沉淀，近年來(lái)取得了質(zhì)的突破，取得了多個(gè)江蘇省一、二等獎(jiǎng)的好成績(jī)，該比賽有助于電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的改革以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，對(duì)專任教師提出了更高的要求，同時(shí)也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

2大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽任務(wù)和要求

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽每年8月份舉辦，賽期四天三夜，早上8點(diǎn)在網(wǎng)站統(tǒng)一公布題目，主要分為7大類，涉及電源類、信號(hào)源類、高頻無(wú)線電類、放大器類、儀器儀表類、數(shù)據(jù)采集與處理類以及控制類。為了更好的說(shuō)明電子競(jìng)賽（陳東，謝發(fā)琴，電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽與深化實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005：86-88）對(duì)電路理論教學(xué)的促進(jìn)作用，我們經(jīng)過(guò)仔細(xì)對(duì)比，選取了一道典型的無(wú)線電腦傳輸裝置題目。該題目的任務(wù)是設(shè)計(jì)并制作一個(gè)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸裝置（趙爭(zhēng)鳴，張藝明，陳凱楠，磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(3)：1-13），具體要求分為四部分，一二部分為基本要求。第三部分為自主發(fā)揮，第四部分為最終的設(shè)計(jì)報(bào)告。該競(jìng)賽題目和電路知識(shí)密切聯(lián)系，同時(shí)也是當(dāng)下的一個(gè)熱點(diǎn)，無(wú)線電能傳輸將進(jìn)一步得到普及。

3以競(jìng)賽任務(wù)為驅(qū)動(dòng)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)的實(shí)施

3.1系統(tǒng)方案。根據(jù)所學(xué)電路理論知識(shí)，我們選擇了電磁感應(yīng)方案，諧振式強(qiáng)磁耦合方案以及電磁波輻射方案。就題目來(lái)說(shuō)，電磁感應(yīng)方案最大的缺點(diǎn)是它的傳輸效率低，而電磁波輻射方案對(duì)設(shè)備的要求很高。因此綜合來(lái)說(shuō)，諧振式強(qiáng)磁耦合方案（吳嘉迅，吳俊勇，張寧，等.基于磁耦合諧振的無(wú)線能量傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代電力，2012，29(1)：24-28）最合理。在此方案中有三大難點(diǎn)需要解決：（1）傳輸效率很難提高。距離越大，傳輸功率越低。（2）系統(tǒng)諧振頻率難達(dá)到期望值。（3）諧振頻率和RC振蕩電路的固有頻率難匹配。3.2系統(tǒng)總體框圖。在對(duì)題目要求進(jìn)行理論分析與計(jì)算后，我們將學(xué)生分成八個(gè)小組，提出各自的方案，其中具有代表性的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。為了充分體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力，我們采取了兩種方案去完成。一個(gè)典型方案是由MSP430F149單片機(jī)輸出3.3V高頻PWM方波信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生15V高頻方波信號(hào)。經(jīng)LC振蕩電路，將電能傳輸出去。在諧振點(diǎn)，能量效率最高。經(jīng)過(guò)橋式整流穩(wěn)壓，得到8V穩(wěn)定的直流電壓。另外一個(gè)方案由純電路來(lái)完成，主要分為發(fā)射端電路、接收端電路以及測(cè)試用的LED燈，由于我們的課程應(yīng)用對(duì)象是電路原理，因此我們重點(diǎn)介紹這個(gè)方案。3.3發(fā)射端電路原理圖。發(fā)射端是Royer振蕩器回路，具有自啟動(dòng)功能，取決于輸入的直流電壓，接通電源后，考慮到兩個(gè)晶體管的特性的差異性，我們做如下分析，如果Q1先導(dǎo)通，此時(shí)電感線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)一組線圈產(chǎn)生反饋，從而Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)電感磁芯達(dá)到飽和時(shí)，電動(dòng)勢(shì)為零，Q1變成截止?fàn)顟B(tài)，于是電動(dòng)勢(shì)反向，從而導(dǎo)致Q2導(dǎo)通。由于逆變震蕩器產(chǎn)生正弦信號(hào)，通過(guò)線圈將能量發(fā)送出去。高頻輸出級(jí)用大功率場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)需加上面積足夠大的散熱器。輸入端采用場(chǎng)效應(yīng)管Rover高頻逆變?cè)孀冋鹗幤鳟a(chǎn)生正弦信號(hào)，并用線圈將能量發(fā)送出去，雙管推挽電流饋電，當(dāng)發(fā)射和接收線圈處于同一頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能的傳輸。電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去．發(fā)射機(jī)是一級(jí)振蕩一對(duì)推挽輸出的電磁波感應(yīng)發(fā)射器,將直流電變成脈沖交流用電感線圈幅射出去，為接收部分提供能量。具體電路如圖2所示。3.4接收端電路原理圖。LA為發(fā)射線圈、LB為接收線圈、fr是電容調(diào)諧后達(dá)到一致的固有頻率，其中需要注意的問(wèn)題是高頻傳輸（1～20M）。具體電路圖如圖3所示：圖3接收端電路原理圖其中的輸出整流濾波電路選用了全波整流電路，全波整流變壓器輸出功率的利用率為100%，輸出直流電壓中的紋波較低。具體選擇輸出整流二極管時(shí)和電容要充分考慮其特性值，其中重點(diǎn)需要留意的是耐壓值。3.5系統(tǒng)測(cè)試。利用可變電源作為輸入端的輸入電源，從9V電源開(kāi)始增加一直到15V，在增加電壓的過(guò)程中首先保證兩個(gè)串聯(lián)的1W的LED燈能夠保持一定的亮度，然后在增加距離的時(shí)候找一個(gè)大概超過(guò)十厘米的位置進(jìn)行測(cè)試，在輸入直流電壓為15V時(shí)，測(cè)量接收端的直流電流I的大小。再測(cè)量直流電壓。然后在輸入直流電壓15V的條件下，不斷加大LED燈與發(fā)射端的距離，然后測(cè)量燈直到不亮?xí)r的距離。測(cè)試結(jié)果，我們初步測(cè)得最大的距離為50厘米左右，此時(shí)燈都是亮的，輸出的電流可達(dá)到505毫安，電壓超過(guò)8V。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)從競(jìng)賽的選題到理論分析，再到具體的電路設(shè)計(jì)以及元器件選購(gòu)，直到完成最終的調(diào)試，并寫成相應(yīng)的競(jìng)賽式課程設(shè)計(jì)報(bào)告（徐振方，孟艷花，王艷，從電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽看電子信息類專業(yè)的教學(xué)改革[J]．安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2010，27(I)：35-36），為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了很好的素材。同時(shí)我們將抽象的書(shū)本知識(shí)應(yīng)用于具體的任務(wù)，為后續(xù)的專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，電路原理課程的教學(xué)改革還需要不斷的探索和研究，與大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽相結(jié)合提供了一條切實(shí)可行的思路，在此基礎(chǔ)上我們可以進(jìn)一步改革相關(guān)課程（王越，韓力，大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的開(kāi)展與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2005，10：4-6）的教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)以致用，更好的適應(yīng)社會(huì)的需要。

作者:呂勇 余雷 羅力恒 葉萍 單位:蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院