大学生电子设计竞赛实验箱的开发

摘 要：在大学电类专业课程实验教学中，实验箱对学生实践能力培养起了很大作用。但目前广泛开展的大学生电子设计竞赛，却没有专用的实验箱；实践证明，实验箱的采用，对实践教学有事半功倍的效果，文章提出了一种便携式电子设计竞赛实验箱的设计思路、功能和用途，在我校的学生电子设计竞赛培训使用了该实验箱，取得了较好的教学效果。

关键词：电子设计；竞赛；实验箱

引言

实验实践教学是高等教育的一个重要环节，包括各种形式，例如课程实验、学生课外科技活动、和毕业设计等，实验实践教学离不开各种实验装置，对实践教学起了很大的作用，学生的实践能力得到了很好的培养。目前在各高等院校电类专业，每2年1次的全国大学生电子设计竞赛蓬勃开展，参赛人数日益提高，2011年参赛人数达1万多人，参赛水平不断提高，学生的专业技术能力得到社会各界认可，同时促进了高校的电类课程教学改革。实验箱的采用，对实践教学有事半功倍的效果，但目前电子竞赛没有专用的实验箱，学生在竞赛培训中，很多学生电路五花八门、布线杂乱无章，培训层次、效率较低，不利于学生在竞赛中去的好成绩。

鉴于这种情况，我们设计开发了一种多功能便携式、并较好体现设计性和综合性思想的电子竞赛实验箱。

1 实验箱设计目标

实验箱的总体设计目标如下：

一是实验箱必须是便携式的，参加电子竞赛往往要求学生在课余时间、在寝室等场合自主完成实验，这就要求实验箱便于学生携带。

二是实验箱必须是多功能，能把实验室浓缩在一个实验箱里，便于学生能基本依托实验箱完成各种基本实验，不须借助其他仪器和工具设备等。

2 实验箱功能组成

根据以上的设计目标和思路，实验箱采用工业标准铝合金仪器箱，体积不大于40×30×15cm（长×宽×高），可放入一般学生的背包里，便于学生携带，可谓是背包里的电子实验室。

实验箱集成多种功能，内部分2层，上层包括仪器区、单片机区、电路模块区和通用板区，下层包括工具区、元件区和万用表。

上层是整个实验箱的核心，以一块环氧板作为底板，并且用铰链安装在箱体上，便于上下翻盖，主要包括以下区域：

2.1 仪器区

学生在做电路实验，必须用到各种电子仪器。仪器区集成了多路直流稳压电源、简易函数信号发生器和数字示波器等仪器。

多路直流稳压电源可输出±1.25～15V可调直流电压和+5固定电压共3路电压，结构和实验室常用直流稳压电压完全一样，但输出功率略小（30W），在电子设计竞赛中，大部分电路功率够用。

简易函数信号发生器输出频率范围2Hz～200KHz，输出幅度0～8V；输出波形有正弦波、三角波和方波，可以满足大部分中、低频实验的要求。

多路直流稳压电源和简易函数信号发生器共用一个显示屏，可显示电源电压值、信号的频率、幅度等参数，便于学生调节观察。

数字示波器采用高速AD和STM32单片机，单踪显示，采样率50MHz，模拟带宽5MHz，灵敏度20mv/div；显示采用3 、分辨率600×320显示屏，一般的场合足够用。

2.2 单片机区

单片机区集成2种单片机，8051单片机和STM32单片机，8051作为目前高校教学主流的单片机，是学生入门必须的，同时该板通过插接其他高性能单片机，例如STC12C5A60S2、ATmega16（通过转接板），可用于高速、精密控制等要求高的场合。

学生学习8051入门以后，可学习STM32单片机，功能强大，可用于竞赛。以上单片机包括其他功能：键盘、A/D转换、D/A转换、LCD液晶显示和通信下载口功能等。

2.3 电路模块区

电路模块区是该实验箱的一大亮点。包括常用模拟电路和数字电路类，实验箱把常用的各种电路做成标准接口模块，可快速验证电路功能。模拟电路类包含以下各种电路模块：放大器、滤波器、比较器、信号变换和信号振荡等，每种电路模块又由几种常用电路组成。放大器模块包括常用的几种放大器形式，例如同相比例放大器、反相比例放大器、仪表放大器和可编程放大器等。滤波器模块包括常用的几种有源滤波器形式，例如低通、高通、带通和数字低通滤波器MAX297。比较器模块包括常用的几种比较器形式，例如同相比较器、反相比较器等。信号变换模块包括常用的信号转换电路，例如交直流（AC/DC）转换电路、频率电压（F/V）转换电路、电压频率（V/F）转换电路等。信号振荡模块包括常用的信号产生电路，例如NE555时基振荡器、正弦波发生器和DDS信号发生器等。数字电路类功能和组成比较简单，包括反相器、与非门、异或门、D触发器、单稳态触发器等，用于简单数字功能的实现。学生根据实验任务和要求，选择实验箱上相应模块，例如放大、滤波等用，导线连接各模块；然后根据电路指标选择合适参数元件，并安插到各模块上，再通过调试，可快速验证电路功能，避免了学生常规电子实验方法-采用通用板，效率低且容易出错的弊端。

2.4 通用板区

电路模块区并不能覆盖所有电路，需要制作其他电路，就要用到通用板来完成。

通用板的工作电源由仪器区的直流稳压电源提供，同时简易函数信号发生器和数字示波器可对通用板电路进行性能指标的测试，通用板的输出信号可到单片机区进行进一步处理、计算和显示。

2.5 实验箱下层

实验箱的下层（实验箱底部）是工具区、元件区和万用表，工具区安放常用焊接工具：电烙铁、尖嘴钳、斜口钳、剪刀、镊子和螺丝刀等，元件区安放常用元件：电阻、电容、三极管、集成电路、接插件和导线焊锡等。

3 实验箱的拓展

实验箱用途除了用于学生电子设计竞赛培训、比赛以外，还可用于学生课程设计、课外科技活动、毕业设计、教师科研开发和新产品开发等各种领域，用途及其广泛。

以2007年全国大学生电子设计竞赛本科组D题“程控滤波器”为例，电路由放大、滤波和单片机处理（键盘设定等）几部分组成，见图1所示：

构成程控滤波器的电路均可在实验箱上找到对应模块。

此外该实验箱也可用于教师科研开发和新产品开发上。以开发超声波测距仪为例，电路由发射、接收和单片机处理（距离计算、显示等）几部分组成，见图2所示：

以上两个例子，电路均可在实验箱上找到相应电路模块，并通过连线、选择元器件等步骤，快速完成系统构建。实验箱涵盖了很多电路，通过排列组合可以构建复杂的电子系统，锻炼学生创新思维能力。

4 结束语

实验箱包括各种电路模块，集成了常用的电子仪器，根据任务和要求，通过不同电路模块的有机组合，可实现不同的复杂电子系统功能，体现了综合性实验的思想。

实验箱可用于大学各种电子技术类课程实验、学生电子设计竞赛培训，学生课外科技活动、学生毕业设计、教师科研开发和新产品开发等各种领域，用途及其广泛。

参考文献

[1]张远岐，等.电路模拟数字综合实验箱的研制[J].实验室研究与探索，2000（5）：79-83.