大学生电子设计竞赛应用探讨

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电路原理是我校电气工程及其自动化的一门重要的基础课，教材中所讲述的电路模型和基本定律比较抽象，学生在学习的过程中往往只会利用理论知识分析电路图，本文以大学生电子设计竞赛为导向，对电路原理课程进行教学改革，通过竞赛中的一个具体任务提高学生的创新能力和实践能力，不仅有利于教学和科研的相互促进，同时也让学生充分了解电气工程专业发展的最新动态。

1引言

全国大学生电子设计竞赛（赵妮娜，竞赛式教学在电工电子技术课程设计中的应用[J].电子设计工程，2013(15)：44-46）作为四大竞赛之一，是教育部和工业和信息化部共同发起的大学生学科竞赛之一，竞赛的主要特点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内容改革密切结合，从而推动课程教学、教学改革和实验室建设等相关工作。苏州大学建校历史悠久，机电工程学院自2003年以来组队参加了历年的大学生电子设计竞赛，经过长期的积累和沉淀，近年来取得了质的突破，取得了多个江苏省一、二等奖的好成绩，该比赛有助于电气工程及其自动化学科教学内容的改革以及相关实验室的建设，对专任教师提出了更高的要求，同时也提高了学生的创新能力和实践能力。

2大学生电子设计大赛任务和要求

全国大学生电子设计大赛每年8月份举办，赛期四天三夜，早上8点在网站统一公布题目，主要分为7大类，涉及电源类、信号源类、高频无线电类、放大器类、仪器仪表类、数据采集与处理类以及控制类。为了更好的说明电子竞赛（陈东，谢发琴，电子设计竞赛与深化实践教学改革[J].实验技术与管理，2005：86-88）对电路理论教学的促进作用，我们经过仔细对比，选取了一道典型的无线电脑传输装置题目。该题目的任务是设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置（赵争鸣，张艺明，陈凯楠，磁耦合谐振无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报，2013，33(3)：1-13），具体要求分为四部分，一二部分为基本要求。第三部分为自主发挥，第四部分为最终的设计报告。该竞赛题目和电路知识密切联系，同时也是当下的一个热点，无线电能传输将进一步得到普及。

3以竞赛任务为驱动的课程设计教学的实施

3.1系统方案。根据所学电路理论知识，我们选择了电磁感应方案，谐振式强磁耦合方案以及电磁波辐射方案。就题目来说，电磁感应方案最大的缺点是它的传输效率低，而电磁波辐射方案对设备的要求很高。因此综合来说，谐振式强磁耦合方案（吴嘉迅，吴俊勇，张宁，等.基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究[J].现代电力，2012，29(1)：24-28）最合理。在此方案中有三大难点需要解决：（1）传输效率很难提高。距离越大，传输功率越低。（2）系统谐振频率难达到期望值。（3）谐振频率和RC振荡电路的固有频率难匹配。3.2系统总体框图。在对题目要求进行理论分析与计算后，我们将学生分成八个小组，提出各自的方案，其中具有代表性的系统总体框图如图1所示。为了充分体现学生的创新能力，我们采取了两种方案去完成。一个典型方案是由MSP430F149单片机输出3.3V高频PWM方波信号，控制驱动电路，产生15V高频方波信号。经LC振荡电路，将电能传输出去。在谐振点，能量效率最高。经过桥式整流稳压，得到8V稳定的直流电压。另外一个方案由纯电路来完成，主要分为发射端电路、接收端电路以及测试用的LED灯，由于我们的课程应用对象是电路原理，因此我们重点介绍这个方案。3.3发射端电路原理图。发射端是Royer振荡器回路，具有自启动功能，取决于输入的直流电压，接通电源后，考虑到两个晶体管的特性的差异性，我们做如下分析，如果Q1先导通，此时电感线圈产生感应电动势，通过一组线圈产生反馈，从而Q1处于导通状态，Q2处于截止状态，当电感磁芯达到饱和时，电动势为零，Q1变成截止状态，于是电动势反向，从而导致Q2导通。由于逆变震荡器产生正弦信号，通过线圈将能量发送出去。高频输出级用大功率场效应管时需加上面积足够大的散热器。输入端采用场效应管Rover高频逆变元件，逆变震荡器产生正弦信号，并用线圈将能量发送出去，双管推挽电流馈电，当发射和接收线圈处于同一频率时会产生共振现象，从而实现无线电能的传输。电容组成的并联谐振回路辐射出去．发射机是一级振荡一对推挽输出的电磁波感应发射器,将直流电变成脉冲交流用电感线圈幅射出去，为接收部分提供能量。具体电路如图2所示。3.4接收端电路原理图。LA为发射线圈、LB为接收线圈、fr是电容调谐后达到一致的固有频率，其中需要注意的问题是高频传输（1～20M）。具体电路图如图3所示：图3接收端电路原理图其中的输出整流滤波电路选用了全波整流电路，全波整流变压器输出功率的利用率为100%，输出直流电压中的纹波较低。具体选择输出整流二极管时和电容要充分考虑其特性值，其中重点需要留意的是耐压值。3.5系统测试。利用可变电源作为输入端的输入电源，从9V电源开始增加一直到15V，在增加电压的过程中首先保证两个串联的1W的LED灯能够保持一定的亮度，然后在增加距离的时候找一个大概超过十厘米的位置进行测试，在输入直流电压为15V时，测量接收端的直流电流I的大小。再测量直流电压。然后在输入直流电压15V的条件下，不断加大LED灯与发射端的距离，然后测量灯直到不亮时的距离。测试结果，我们初步测得最大的距离为50厘米左右，此时灯都是亮的，输出的电流可达到505毫安，电压超过8V。

4结束语

通过从竞赛的选题到理论分析，再到具体的电路设计以及元器件选购，直到完成最终的调试，并写成相应的竞赛式课程设计报告（徐振方，孟艳花，王艳，从电子设计竞赛看电子信息类专业的教学改革[J]．安徽工业大学学报(社会科学版)，2010，27(I)：35-36），为后续的毕业设计提供了很好的素材。同时我们将抽象的书本知识应用于具体的任务，为后续的专业课的学习打下了坚实的基础，电路原理课程的教学改革还需要不断的探索和研究，与大学生电子设计竞赛相结合提供了一条切实可行的思路，在此基础上我们可以进一步改革相关课程（王越，韩力，大学生电子设计竞赛的开展与学生创新能力的培养[J].中国大学教学，2005，10：4-6）的教学，让学生学以致用，更好的适应社会的需要。

作者:吕勇 余雷 罗力恒 叶萍 单位:苏州大学机电工程学院