大學生電子設計競賽實驗箱的開發(fā)

張珂 俞國華

摘 要：在大學電類專業(yè)課程實驗教學中，實驗箱對學生實踐能力培養(yǎng)起了很大作用。但目前廣泛開展的大學生電子設計競賽，卻沒有專用的實驗箱；實踐證明，實驗箱的采用，對實踐教學有事半功倍的效果，文章提出了一種便攜式電子設計競賽實驗箱的設計思路、功能和用途，在我校的學生電子設計競賽培訓使用了該實驗箱，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：電子設計；競賽；實驗箱

引言

實驗實踐教學是高等教育的一個重要環(huán)節(jié)，包括各種形式，例如課程實驗、學生課外科技活動、和畢業(yè)設計等，實驗實踐教學離不開各種實驗裝置，對實踐教學起了很大的作用，學生的實踐能力得到了很好的培養(yǎng)。目前在各高等院校電類專業(yè)，每2年1次的全國大學生電子設計競賽蓬勃開展，參賽人數(shù)日益提高，2011年參賽人數(shù)達1萬多人，參賽水平不斷提高，學生的專業(yè)技術能力得到社會各界認可，同時促進了高校的電類課程教學改革。實驗箱的采用，對實踐教學有事半功倍的效果，但目前電子競賽沒有專用的實驗箱，學生在競賽培訓中，很多學生電路五花八門、布線雜亂無章，培訓層次、效率較低，不利于學生在競賽中去的好成績。

鑒于這種情況，我們設計開發(fā)了一種多功能便攜式、并較好體現(xiàn)設計性和綜合性思想的電子競賽實驗箱。

1 實驗箱設計目標

實驗箱的總體設計目標如下：

一是實驗箱必須是便攜式的，參加電子競賽往往要求學生在課余時間、在寢室等場合自主完成實驗，這就要求實驗箱便于學生攜帶。

二是實驗箱必須是多功能，能把實驗室濃縮在一個實驗箱里，便于學生能基本依托實驗箱完成各種基本實驗，不須借助其他儀器和工具設備等。

2 實驗箱功能組成

根據(jù)以上的設計目標和思路，實驗箱采用工業(yè)標準鋁合金儀器箱，體積不大于40×30×15cm（長×寬×高），可放入一般學生的背包里，便于學生攜帶，可謂是背包里的電子實驗室。

實驗箱集成多種功能，內(nèi)部分2層，上層包括儀器區(qū)、單片機區(qū)、電路模塊區(qū)和通用板區(qū)，下層包括工具區(qū)、元件區(qū)和萬用表。

上層是整個實驗箱的核心，以一塊環(huán)氧板作為底板，并且用鉸鏈安裝在箱體上，便于上下翻蓋，主要包括以下區(qū)域：

2.1 儀器區(qū)

學生在做電路實驗，必須用到各種電子儀器。儀器區(qū)集成了多路直流穩(wěn)壓電源、簡易函數(shù)信號發(fā)生器和數(shù)字示波器等儀器。

多路直流穩(wěn)壓電源可輸出±1.25～15V可調(diào)直流電壓和+5固定電壓共3路電壓，結構和實驗室常用直流穩(wěn)壓電壓完全一樣，但輸出功率略?。?0W），在電子設計競賽中，大部分電路功率夠用。

簡易函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率范圍2Hz～200KHz，輸出幅度0～8V；輸出波形有正弦波、三角波和方波，可以滿足大部分中、低頻實驗的要求。

多路直流穩(wěn)壓電源和簡易函數(shù)信號發(fā)生器共用一個顯示屏，可顯示電源電壓值、信號的頻率、幅度等參數(shù)，便于學生調(diào)節(jié)觀察。

數(shù)字示波器采用高速AD和STM32單片機，單蹤顯示，采樣率50MHz，模擬帶寬5MHz，靈敏度20mv/div；顯示采用3 、分辨率600×320顯示屏，一般的場合足夠用。

2.2 單片機區(qū)

單片機區(qū)集成2種單片機，8051單片機和STM32單片機，8051作為目前高校教學主流的單片機，是學生入門必須的，同時該板通過插接其他高性能單片機，例如STC12C5A60S2、ATmega16（通過轉接板），可用于高速、精密控制等要求高的場合。

學生學習8051入門以后，可學習STM32單片機，功能強大，可用于競賽。以上單片機包括其他外圍功能：鍵盤、A/D轉換、D/A轉換、LCD液晶顯示和通信下載口功能等。

2.3 電路模塊區(qū)

電路模塊區(qū)是該實驗箱的一大亮點。包括常用模擬電路和數(shù)字電路類，實驗箱把常用的各種電路做成標準接口模塊，可快速驗證電路功能。模擬電路類包含以下各種電路模塊：放大器、濾波器、比較器、信號變換和信號振蕩等，每種電路模塊又由幾種常用電路組成。放大器模塊包括常用的幾種放大器形式，例如同相比例放大器、反相比例放大器、儀表放大器和可編程放大器等。濾波器模塊包括常用的幾種有源濾波器形式，例如低通、高通、帶通和數(shù)字低通濾波器MAX297。比較器模塊包括常用的幾種比較器形式，例如同相比較器、反相比較器等。信號變換模塊包括常用的信號轉換電路，例如交直流（AC/DC）轉換電路、頻率電壓（F/V）轉換電路、電壓頻率（V/F）轉換電路等。信號振蕩模塊包括常用的信號產(chǎn)生電路，例如NE555時基振蕩器、正弦波發(fā)生器和DDS信號發(fā)生器等。數(shù)字電路類功能和組成比較簡單，包括反相器、與非門、異或門、D觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等，用于簡單數(shù)字功能的實現(xiàn)。學生根據(jù)實驗任務和要求，選擇實驗箱上相應模塊，例如放大、濾波等用，導線連接各模塊；然后根據(jù)電路指標選擇合適參數(shù)元件，并安插到各模塊上，再通過調(diào)試，可快速驗證電路功能，避免了學生常規(guī)電子實驗方法-采用通用板，效率低且容易出錯的弊端。

2.4 通用板區(qū)

電路模塊區(qū)并不能覆蓋所有電路，需要制作其他電路，就要用到通用板來完成。

通用板的工作電源由儀器區(qū)的直流穩(wěn)壓電源提供，同時簡易函數(shù)信號發(fā)生器和數(shù)字示波器可對通用板電路進行性能指標的測試，通用板的輸出信號可到單片機區(qū)進行進一步處理、計算和顯示。

2.5 實驗箱下層

實驗箱的下層（實驗箱底部）是工具區(qū)、元件區(qū)和萬用表，工具區(qū)安放常用焊接工具：電烙鐵、尖嘴鉗、斜口鉗、剪刀、鑷子和螺絲刀等，元件區(qū)安放常用元件：電阻、電容、三極管、集成電路、接插件和導線焊錫等。

3 實驗箱的拓展

實驗箱用途除了用于學生電子設計競賽培訓、比賽以外，還可用于學生課程設計、課外科技活動、畢業(yè)設計、教師科研開發(fā)和新產(chǎn)品開發(fā)等各種領域，用途及其廣泛。

以2007年全國大學生電子設計競賽本科組D題“程控濾波器”為例，電路由放大、濾波和單片機處理（鍵盤設定等）幾部分組成，見圖1所示：

構成程控濾波器的電路均可在實驗箱上找到對應模塊。

此外該實驗箱也可用于教師科研開發(fā)和新產(chǎn)品開發(fā)上。以開發(fā)超聲波測距儀為例，電路由發(fā)射、接收和單片機處理（距離計算、顯示等）幾部分組成，見圖2所示：

以上兩個例子，電路均可在實驗箱上找到相應電路模塊，并通過連線、選擇元器件等步驟，快速完成系統(tǒng)構建。實驗箱涵蓋了很多電路，通過排列組合可以構建復雜的電子系統(tǒng)，鍛煉學生創(chuàng)新思維能力。

4 結束語

實驗箱包括各種電路模塊，集成了常用的電子儀器，根據(jù)任務和要求，通過不同電路模塊的有機組合，可實現(xiàn)不同的復雜電子系統(tǒng)功能，體現(xiàn)了綜合性實驗的思想。

實驗箱可用于大學各種電子技術類課程實驗、學生電子設計競賽培訓，學生課外科技活動、學生畢業(yè)設計、教師科研開發(fā)和新產(chǎn)品開發(fā)等各種領域，用途及其廣泛。

參考文獻

[1]張遠岐，等.電路模擬數(shù)字綜合實驗箱的研制[J].實驗室研究與探索，2000（5）：79-83.