电力电子技术基本概念范文

导语：如何才能写好一篇电力电子技术基本概念，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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论文关键词：电力电子技术；课程设计；教学方法

电力电子技术始于20世纪50年代末、60年代初，主要研究电力领域中使用电力电子器件对电能进行高效的变换和控制，是电力、电子、控制三大学科的交叉学科。目前，“电力电子技术”课程已成为我国高等院校电气工程与自动化类本科专业最为重要的学科基础课之一，教学内容涵盖电力电子器件、四大类电力变换电路、控制技术以及电力电子新技术等多方面知识，理论性和实用性都非常强。为实现良好的教学效果，该课程要求教师能结合各自学校的实际情况合理地设计课程，均衡理论和实验教学的比例，针对具体不同的授课内容灵活运用多种教学方法和教学手段，注重激发学生的学习兴趣，使学生通过学习掌握相关的基本概念、基本分析方法等理论知识并提高他们理论联系实际和分析解决问题的实践能力。

浙江工业大学（以下简称“我校”）“电力电子技术”课程是全校电气工程与自动化类本科专业教学链中一个承上启下的重要环节。它的前续课程有“电路原理与实验”、“模拟电子技术”、“电机学”、“数字电路与数字逻辑”、“电气工程基础等”，后续课程有“开关电源设计”、“控制电机及应用”、“现代电气传动控制技术”、“DSP原理及应用”、“毕业设计”等。多年来，我校在不断学习国内外高校教学经验的同时不断实践，丰富自身的教学经验，积极改革创新，追求高质量和高水平的教学。

本文将主要介绍我校多年来在电力电子技术本科生教学方面所取得的一些实践经验以及关于今后如何继续提高教学质量和水平的一些设想。

一、注重建设教学团队和培养青年教师

在整个教学过程中，教师不但是知识的教授者、教学活动的组织者，同时还是学生学习效果的评估者。优秀的教师是保证教学高质量和高水平的关键，他们为人师表、具有丰富的知识和经验、富有爱心，能够激发学生求知的热情，既教会学生学习方法，又让学生掌握科学知识。

经过多年的积累，目前我校电力电子技术本科生教学团队已初具规模，核心成员主要有教授1人、副教授2人、讲师2人、实验员1人。其中具有博士学位2人，硕士学位3人。该团队每年都会承担全校3个电气工程与自动化类本科专业（电气工程及其自动化专业、自动化专业和电气工程及其自动化教育专业）约6～8个班的电力电子技术教学工作。为保证全校范围内该课程教学内容与质量的一致性，各授课教师按统一的教学大纲分专业分班级进行教学，期末所有选课的学生参加全校统一的考试。不同专业、不同班级的学生呈现出来的特点也各不相同。在学内容的前提下，各教师遵循以学生为本的原则采取灵活恰当的教学方法进行针对性授课，确保达到良好的教学效果。

我校电力电子技术本科生教学团队自组建以来一直定期召开会议讨论并解决教学中遇到的问题，交流并总结教学经验，共同开展教学和科研课题项目，促进各成员教师特别是青年教师在业务上的进步。在培养教学新生力量上，该教学团队引入青年教师导师制度，由多位（副）教授级的教师担任指导教师，对经验尚浅的青年教师进行全程、全方位的培训，包括写教案、制作PPT课件、课堂试讲、实验指导、批改作业、学生答疑、拟考试卷、指导毕业设计等。每个阶段，指导教师都会对青年教师的表现做出中肯的评价，帮助他们尽快熟悉业务、提高水平。在整个团队的关心下，青年教师成长很快，在由学院组织的学评教和教学技能比赛中都取得了良好的成绩。

二、完善适合学校实际情况的课程设计

“电力电子技术”是一门理论性、实用性都很强的课程，课程内容量多且面广，合理分配理论教学和实验教学的比例就显得非常重要。结合学校的实际情况，我校电力电子技术本科生教学团队为电气工程与自动化类相关的3个本科专业制订了统一的教学大纲。“电力电子技术”课程总共安排了64学时，其中，理论教学48学时、实验教学16学时，在注重教授学生基本概念和基本分析方法等理论知识的同时也同样注重培养学生理论联系实际和分析解决问题的实践能力。与大多数国内高校接轨，教材主要选用普通高等教育“十一五”国家级规划教材、普通高等教育电气工程与自动化类“十一五”规划教材——机械工业出版社出版的《电力电子技术》最新版本和学校自编的《电力电子技术实验用书》，实验装置采用求是公司生产的MCL型电力电子及电力传动教学实验台。所选教材《电力电子技术》第5版本一共有10个章节，仅48学时的理论课不可能也没必要面面俱到讲授教材中的所有内容。因此，教学团队进一步对这10章的教学内容划分了主次，对电力电子器件、电力电子器件应用的共性问题、整流电路、直流－直流变流电路这4个章节做重点教学，对其余的6个章节做次重点教学。16学时的实验课要求完成5个实验的教学，内容涉及各主要电力电子器件及其驱动电路、晶闸管可控整流电路、PWM直流斩波电路分析及测试和开关电源分析及测试，进度与理论课的相关内容同步，确保学生能在第一时间把所学的理论知识和实际联系起来。教学团队在教学内容和学生学习效果考评两方面同时做到了对理论与实践的兼顾，规定学生学习该课程所得总成绩由以下三部分组成，即期末理论考试成绩占70％、平时实验成绩占10％、课堂表现及课后作业成绩占20％。

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三、以学生为本的教学活动实践

在具体实施电力电子教学的过程中，教师激发学生的学习兴趣，创造良好的互动教学氛围是非常重要的。这就需要教师以学生为本结合具体的授课内容灵活运用多种教学方法和教学手段。

我校“电力电子技术”是“电路原理与实验”等课程的后续课程，理论性很强。在教授该课程新知识点时，若涉及到相关前续课程重要的旧知识点，教师会采用先温故后知新的教学方法，通过学生回答问题的方式复习旧知识点，由浅入深帮助学生进入状态以便教授新知识点。比如，在讲述变压器漏感对整流电路的影响这一节内容的最开始，先温习理想变压器的特性和非理想变压器的等效电路模型，再把简化后的非理想变压器等效电路模型代入到已学的整流电路中，然后进入正题——分析电路的工作原理。教师在讲授电路工作原理时，会一再强调电力电子器件的开关工作状态和电力电子电路的分段线性分析方法这两个贯穿整个课程始终的基本概念和基本方法，并现场指导学生独立完成一部分电路的分析工作，通过加强学生的参与感来促使他们更积极地把外在的基本知识点转化为内在的电路分析能力。

在传统的口头讲授过程中，教师会适当地借助“静动相宜”的PPT课件、具体的实物教具和灵活的板书等来提高“电力电子技术”课程的理论教学效果。此外，教师还会适当地扩充一些教科书以外的电力电子技术内容，如仿真技术等。教师利用仿真软件PSPICE、MATLAB等在课堂上虚拟地实时演示电路更真实的工作过程，既拓展了学生的视野又能很形象地解说课程中的知识难点，如三相半波可控整流电路中晶闸管的正向耐压问题。电力电子器件的封装材料及形式多种多样，性能也不尽相同。为了让学生更真实、更立体地认识电力电子器件，教师除了展示器件照片外还会提供一些器件的样品让学生亲身接触。关于教材中重要公式的推导，教师会采用PPT课件与板书相结合的方式帮助学生更容易理解和掌握。

“电力电子技术”课程包含很多基本概念，在讲述时教师会根据听课学生的实际英语能力，有意识地就专业术语部分进行中英文双语教学。这不但能增强学生的专业英语水平，而且还可以提高学生使用中英文关键词检索科技文献的能力，为该课程的后续课程特别是“毕业设计”的教学打下良好的基础。

在“电力电子技术”的理论教学过程中，强调电力电子技术对国计民生的重要性是非常必要的。比如，在举例说明电力电子技术的实际应用时，教师会尽量多举些与学生日常生活以及当前社会热点相关的例子（如手机电池充电器、笔记本电脑电源适配器、未来的“光源之星”LED照明、节能环保的电动汽车等）。先抛砖引玉让学生有些感性的认识，再通过启发性的提问鼓励学生积极地去发现身边所遇到的科学技术。在增加学生学习兴趣的同时，提高学生对该课程的重视程度。

“电力电子技术”是一门理论性和实践性都很强的课程。为了更好地衔接理论知识和实验内容，教师在课堂上除了提供电力电子电路的理想波形图，还会提供一些电力电子电路的实际波形图，让学生自己去发现和思考它们之间的异同。用一连串的疑问激发起学生的强烈求知欲，令他们更主动地去预习实验，更认真地进行实验，并且更努力地去尝试着寻找答案。比如，反激式电路在电流断续工作模式下，由教科书提供的开关管S两端电压的理想波形和在实验中用示波器观察到的S两端电压的实际波形在S关断的部分是有很大差别的。在理论课堂上，当教师同时给出理论和实验波形图加以对照时，学生表现出极大的兴趣，跃跃欲试地去寻找实际电路中S两端电压在S关断时刻出现阻尼振荡现象的原因。此时，教师正好因势利导，鼓励他们认真地去完成相关的实验，通过实验再结合已学理论知识自主地找出答案。实践结果表明该教学效果很好。

四、关于今后教学的一些设想

电力电子技术的发展日新月异，关于“电力电子技术”的教学也需要与时俱进，紧跟潮流，与社会接轨。目前，在我校采用全英文教学电力电子技术的条件还不够成熟。但是，教师可采用循序渐进的方法，从目前以中文为主的双语授课，到中英文各半的双语授课，再到以英文为主的双语授课，最后过渡到全英文授课。目前，最适合我校的办法是课程的重要章节主要采用中文教学，务必让学生掌握必要的基本知识；而次重要章节则可主要采用英文教学，这对扩展学生视野很有利。

层出不穷的电力电子新技术不断丰富着“电力电子技术”的教学内容。全面而系统的“电力电子技术”教学是无法仅通过一门课程来完成的，但它可以通过一系列课程来不断深化。在现有“电力电子技术”课程的基础上，按社会就业的需求配套完善其后续课程。除了强化这些课程之间的内在联系、完善整个教学链，教师还应多鼓励优秀的学生积极参加各类电子设计竞赛、申请由学院提供的建龙基金等，在教师指导下开展一些与电力电子技术相关的小课题。通过一系列课程的学习和科研课题的参与，学生能更深入地了解和掌握电力电子技术，对他们今后从事与电力电子技术相关的工作具有积极的意义。

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关键词：柔流输电系统；模块化；工程案例；仿真工具

作者简介：王华昕（1975-），男，浙江绍兴人，上海电力学院电力与自动化工程学院，讲师；张美霞（1979-），女，江苏无锡人，上海电力学院电力与自动化工程学院，讲师。（上海 200090）

基金项目：本文系2011年上海电力学院教学改革基金项目的研究成果。

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）04-0047-02

柔流输电系统是电力电子技术在电力系统应用的一个重要方面，它已经出现在电能的生产、传输和使用的各个领域。[1]许多高校已经把它列为高年级本科生的专业选修课程或者电气传动专业的必修课程。该课程融合了电力系统、电力电子技术和自动控制原理多门课的基础知识，而且要求学生具有一定的电力工程背景知识。处在专业课程体系末端的课程不单单是科学知识的灌输，而是要求学生具备科学探知能力，如文献查找和综合问题的分析能力。同时这门课程自身更新换代速度比较快，传统的教学内容和教学方法不能很好地使学生掌握此课程内容，因此“柔流输电系统”课程教学改革势在必行。多元化教改的含义是教学内容模块化和教学方法的多样化。教改目的在于提高学生专业认知水平，培养分析和解决问题能力。[2-3]依据笔者多年的教学及科研实践经验，结合该课程特点，做了教改探索。

一、存在的问题

上海电力学院于2002年开设了柔性输电课程，2010年前教学学时数为32学时，2010年培养方案修改后，该门课程为16学时。在“柔流输电系统”的多年专业教学当中，有如下教学问题。

1.教学内容过于深奥

该技术属于前沿科学技术，科学专著较多，教材较少；现有如清华大学和机械出版社的教材面对的对象是研究生，理论阐述翔实，但在短学时内要把如此丰富的教学内容灌输给本科生，教材难度、梯度太大，理论抽象，没有联系当前工程实际。教学内容上有与电力电子技术重复之处，未能与专业的核心课程很好地衔接。因此现有教材并不适合本科生。

2.教学方法未与时俱进

多媒体课件是专业课程最直接的教学手段，但该课程教学一直停留在板书阶段；教学内容关注于理论，对工程介绍太少；课程教学没有与科研相结合，学生仅停留在学分获取阶段，未吸收优秀本科生参与科研项目；没有课程设计环节，学生工程实际能力缺乏锻炼。

二、教改内容

1.教学内容模块化

针对教学中理论与实际相脱离的情况，将教学内容梳理为基本概念、基本理论和工程范例等模块，突出工程范例教学作用。教学内容模块化示意图如图1所示。随着柔性直流输电概念的提出，柔性输电领域从以前的交流扩展至直流。为了在内容上统一，笔者把该课程名称改为“柔性输电技术概述”。柔性输电技术包含柔流输电和直流输电。以讲柔流输电为主，柔性直流只介绍基本概念、原理和示范工程。考虑到教学内容的承接性，在电力电子学方面介绍电压型变量器、基本脉宽调制方法和大容量变流器的拓扑结构。模块4和5介绍串并联补偿技术，这是目前应用最广泛的柔流输电装置。模块4和5设计思路是基础理论加示范工程，分别介绍晶闸管和可关断器件两种类型的补偿器。这样学生能对比这些补偿器，从而加深对基本概念的理解。模块6是总结和提高，介绍先进的综合补偿技术，该技术能完成串并联补偿功能，设计思路依旧是基础理论加示范工程。

在模块1中为了让学生直观地明白柔流输电装置的基本原理，用图2来体现。以功角公式为例，串联补偿相当于改变线路电抗，并联补偿相当于提高末端电压。综合补偿技术能改变功角。这样学生能从电力系统角度来考虑柔性输电装置基本工作原理。

2.教学方法多样化

教学内容模块化设计完成后，教学方法的改进体现在教学课件和仿真工具上。教学课件充分体现现代化多媒体的优势，在课件设计上以教学模块为依据，将最新的科研和工程成果充实到教学内容中。笔者查阅了大量柔性输电领域的资料，抽取了代表性示范工程，从系统设计、装置基本参数、控制方法和试验结果等方面一一展现柔性输电工程领域的进展。学生可以从具体工程实例中明白理论到现实有巨大的鸿沟，同时工程需求又不断提出新的课题。

仿真工具PSCAD是研究柔性输电的很好的仿真手段。PSCAD有友好的用户界面，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。[4]笔者介绍装置基本理论后，用PSCAD搭建装置模型，设计控制策略，直接观察装置仿真波形。以可控串联补偿器为例，阐述了串补的原理，指出串补有感性补偿和容性补偿，其调节依靠调整触发角，并给出了阻抗随着触发角变化曲线。而实际中触发角调节策略并不好调整。笔者设计了电流过零锁相方法，从而可以很方便观察容性补偿和感性补偿效果，如图3所示。串补所有电气量都可以展示给学生，随意调整触发角角度，可以观察各个电气量的变化。

通过项目训练提高学生实践能力。限于学时限制，无法开展实验教学。为此笔者开始了综合式项目训练。让学生组成小团队，从串联和并联补偿各选择一个小题目，一名学生负责系统设计，一名学生建立仿真模型，一名学生设计控制策略，提交一份设计报告。这样学生从被动学习到主动学习，不断发现问题，教学效果比直接讲授要有效得多。

三、结束语

本次教改撰写了柔性输电技术新教材，设计了教学内容模块，引进了仿真工具作为教学辅助手段，开展了工程案例教学。在16学时内，学生对“柔流输电系统”得到了充分的感性和理性认识。从教学效果反馈看，学生对教材满意程度高，知识点密度大，课程外需要掌握的工具和方法较多。该课程教学改革将在日后的教学实践中不断完善和总结，为专业教学体系改革积累经验。

参考文献：

[1]张文亮,汤广福,查鲲鹏,等.先进电力电子技术在智能电网中的应用[J].中国电机工程学报,2010,30(4):1-6．

[2]徐颖秦,邵华杰,王小龙.工厂供电课程多元化教学设计与实践[J].电力系统及其自动化学报,2010(12):157-160.

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关键词 电力电子技术；教学改革；创新人才

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2013）24-0088-02

1 课程性质

电力电子技术能有效利用电力半导体开关器件对电能进行变换和控制，是电力电子变换和控制技术的简称。电力电子技术是工业自动化、电气工程及其自动化和其他相关专业重要的专业基础课程。通过课程学习，学生可以掌握电力电子线路的基本理论、基本概念和基本分析方法，为后续专业课程的学习奠定良好的基础，同时也可应用课程所学知识独立分析、解决实际的工程技术问题。

2 课程教学内容的改革

电力电子技术课程涵盖的知识内容多、难度大、实用性强，自诞生以来，已形成丰富的器件系列、变换技术和控制技术。随着新器件、新技术的不断出现，课程教学内容也必须及时更新。在授课时，需要精心、合理选择教学内容，注重基本原理和电路分析方法的讲授，突出知识的系统性；同时要根据其发展趋势，及时对教学内容进行删减和补充，真正做到与时俱进，让学生了解、掌握课程的前沿知识。

2.1 教学内容的精选与更新

晶闸管自20世纪70年代起大量应用于工业生产中。近年来，以功率MOSFET和IGBT为代表的全控型器件取代晶闸管，成为新一代电力电子技术的核心已是不争的事实。因此，在教学中要紧跟技术发展，压缩和删减半控型器件及其控制电路的教学，广泛开展以IGBT、电力MOSFET为代表的新技术、新理论的教学。重点讲述全控型器件组成的整流、逆变电路以及交流调压、变频电路，引入PWM技术和软件开关技术的教学。

2.2 紧跟学科前沿发展动向

随着新型电力电子器件和先进控制方法的出现，电力电子技术在工业控制、新能源、新型家电、变频调速、计算机通信等领域都有着巨大的应用前景。目前，全世界范围的能源供需状况日趋紧张，中国的能源形势尤其紧迫。电能作为最终的能源消费形态，其使用比率正在进一步增大，电力电子新技术在节能方面的作用日益显现。所以，电力电子技术课程的教学内容应主动吸收学科技术前沿知识，将这些新内容及时增加到教学中，引导学生了解电力电子技术的发展动态，扩大知识面，提高学生对课程的兴趣。

3 课程教学手段的改革

教学过程从本质上讲是促进学生学习的过程。学生的“学”是学习过程的内因，教师的“教”是促进学生学习过程的外部条件。由于学生是学习过程的主体，教师在授课时要通过激发学生的兴趣让学生主动去学习，这样才能增强教学效果。

电力电子技术既有较强的理论性，又有较广的工程背景，该课程具有电路分析多、波形分析多的特点。目前，大部分院校采用的是“教师—黑板+电子教案—学生”的教学模式，这种教学方式很难实现教师和学生在课堂中的协调，极大地妨碍了学生的主动学习性，教学效果不好。针对这种教学现状，提出下列教学改革手段。

3.1 精心组织课堂教学活动

教师在保证教学内容系统性和完整性的基础上，要力求突出教学重点和难点。同时，精选一部分内容留给学生去自学，然后开展课堂讨论。实践证明，“自学+讨论课”的教学方法有利于帮助学生克服依赖性，培养其自学能力、思维能力，增加学习的信心。

在教学中，教师还会精心设计教学模块，以解决问题和提高能力为出发点进行教学辅导，通过此类教学互动，使学生之间能分享彼此解决问题的方法、思路和经验，求得新发现，从而实现教学相长和共同发展。

3.2 合理采用各种教学手段

针对电力电子技术教学内容中电路图、波形图较多的部分，鼓励教师采用计算机辅助教学手段，这样就可以省下绘图时间，充分讲授教学重点，使学生在有限的课堂时间内获得更多的信息量，起到事半功倍的作用。

学校还专门建立了Blackboard网络教学平台，课程组的教师会及时补充、更新教学资源，供学生在课余时间上网查阅。学生还可以在平台上直接和教师“对话”，提出自己的疑问，教师会及时利用平台给学生答疑。通过这种手段，保障了学生可以随时随地进行预习、复习、提问、查询资料，教师可以随时随地答疑、打分、了解学生的学习情况，管理部门可以随时随地了解教学进度，监控教学情况，管理学生成绩，加强师生间的教学互动。

对于其他新型的教学手段，要求教师在教学中根据每次课的实际需要，综合利用多种教学手段，而不是单纯拘泥于某一种手段，从而增强教学效果。

4 实践教学环节改革

在电力电子技术的教学中，实践教学环节必不可少，是课堂教学的重要补充。该环节对理解和巩固理论知识有重要作用，而且能强化学生工程技能训练，提高学生的动手能力。

4.1 精心组织安排

电力电子技术课内实验由一人一组独立完成、独立考核，增加了设计型、综合型实验内容比例。在课程总学时有限的情况下，精选出如下几个实验作为必做实验教学内容：

1）单相桥式半控整流电路（验证性），结合实验介绍“锯齿波同步移相触发电路”的原理；

2）三相桥式全控整流电路的性能研究（设计性），结合实验介绍集成触发器的知识；

3）功率场效应晶体管（MOSFET）特性与驱动电路研究（综合性）。

首先进行验证性实验，一方面验证理论，一方面熟悉实验设备及各种仪器仪表（如示波器、万用表等）的使用方法，为设计性、综合性实验打基础。综合性实验由教师提出实验要求，由学生自行设计实验方案、搭建实验线路，从而锻炼学生分析问题和解决问题的能力。

4.2 积极开展仿真实验教学

计算机仿真是使用计算机对模型进行研究，具有精度高、重复性好等特点。目前，电力电子技术方面使用较多的电路仿真软件有Matlab、IsSpice、Pspice、Protel、Simplorer等，采用上述软件对电力电子线路进行仿真，能方便地进行电路参数的试验、取舍，具有方便、简单、调节容易、可视性好的优点。在学习完相关课程内容后，布置相应的仿真习题，学生通过在计算机上自行完成仿真实验练习，将加深对理论知识的理解，加强对实际电路工作的感性认识。

4.3 开放实验室建设

除了课内实验和课后的仿真实验练习，还建立了开放性实验室，在实验室中配备了基本的电子元器件和各种测试工具，积极组织学生参加各级各类大学生课外科技活动和竞赛（如电子设计竞赛、“挑战杯”科技作品大赛、机器人大赛等），鼓励学生参与教师的科研项目，使学生在开放实验室中综合运用所学知识完成实际课题，从而培养学生的创新能力、工程能力和解决实际问题的能力。

5 结束语

电力电子技术课程教学改革涉及教学内容、教学手段等多个方面。为了做好这项工作，需要任课教师紧跟学科前沿，在教学中不断总结教学经验，不断创新，更好地为培养有较高科学素质的、能开拓创新的卓越人才服务。

参考文献

[1]林云，管春.电力电子技术[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]贺益康，潘再平.电力电子技术[M].2版.北京：科学出版社，2010.

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说教学资料

本课程选用教材为高职高专公共基础课“十一五”规划教材，由汪红主编，电子工业出版社出版。该教材特点：体现“淡化理论、够用为度、培养技能、重在应用”原则，采用模块式编写方式及“先数字、后模拟”的学习顺序。但该书还是按照学科体系编排，难以体现“工学结合、项目引导、任务驱动、教学做一体化”的原则。因此，课程组教师自编学才及课件，有序整合课程内容。充分发挥多媒体课件信息量大、形象生动的优势，提高教学效率。另外，向学生推荐《电子技术基础》等其它版本教材、《数字电子技术习题与解析》、《模拟电子技术习题与解答》等参考资料，以加深学习深度，拓宽学习广度，供学有余力、有志继续深造的学生学习参考。此外，引导学生查阅中国知网、中国电子技术论坛等网上资源，拓宽学生收集整理资料的渠道及能力，扩宽学生知识面。

说教学内容

根据课程特点、学生的认知规律和，将工作任务按从易到难、从简单到复杂原则，确定教学内容和教学顺序，教学内容组织所遵循的教育理念是教学目标紧贴岗位职业能力要求，坚持重在应用，突出学生主体，践行“教学做”合一的教学原则。通过对课程内容的整合序化，构建了五个项目，每个项目包含若干个任务的教学内容。体现了“项目导向、任务驱动”的教学模式。教学重点是基本概念、基本理论、基本计算、分析方法及电路分析设计、组装调试。教学难点是理论知识的实际应用、电路的分析设计、组装调试。解决教学难点的办法即以项目导向，任务驱动，淡化理论，借助多媒体，实验实训设备，力求教学做一体，实现学生在做中学、学中做，理论与实践融会贯通。整合后的《电子技术》教学内容见表1。

说教学方法

教学方法的采用基于对学情的分析和课程特点的分析。高职学生学习基础大多不扎实，学习自主性不强，但相对来说思维活跃，喜欢动手。《电子技术》课程知识点多、散、碎，课程集知识与技能为一体，理论性和实践性都很强。根据学生特点和课程特点，从实际出发，优化组合各种教法，引导学生积极思考、乐于实践，“学、做”合一，既重视学生的专业能力提高，又重视方法能力和综合素质的培养。采用主要教学方法有讲授法、演示法、练习法、讨论法、任务驱动法。以上教法学法不是单一运用，而是根据具体教学环节灵活地综合运用。如项目一常用电子仪器仪表的使用，教师先通过边讲解边操作万用表，然后要求学生测量实验台的电压、某标准电阻的电阻值，激励学生大胆动手、自己操作、亲身体验，同时回答教师的设问，形成师生互动交流的活跃课堂气氛。这样既能观察学生对新知识的接受程度，查缺补漏，又能培养学生的能力。

说教学组织

以5个项目为导向，每个项目采用任务驱动的教学模式实施教学。教学过程按照布置任务、计划实施、讲解演示、任务实施、总结提高、考核评价六步进行，充分体现了实践性和开放性。具体的教学组织以二极管整流电路的组装与调试为例，见表2。

教学评价

采取过程评价与终结评价相结合，学生自评、互评和教师评价相结合的方式。在课程考核中，过程性评价占60%，终结性评价占40%。过程性评价考核各项目的完成情况，根据项目的难易程度，分别占不同的比例。各项目考核评分表见表3。终结性评价考核电子技术综合知识和技能。

教学效果

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关键词：高级电工；维修电工；电工知识

中图分类号：TM07 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0152-02

1 概述

首先，我们要求高技能人才有一个全面的认识、把握高技能人才的内涵。高技能人才具有高超的操作技术，能够在生产、服务、建设等关键领域起到决定性作用，并且他们具备专门的知识与技术，是生产、服务、建设第一线的技能劳动者，随时能够解决第一线出现的紧急问题，所以他们应该归结为高层次人才的行列中。但在国家对高技能人才的统计中，我们发现并不是和我们想象的一样。只有将获得高级工（国家职业三级）以上职业资格证书或者具备相应技能水平和职业资格的劳动者视为高技能人才。这就是，学历并不是确定等级的一个量度，只有获得等级确定，才能获得技术工人职称。所以虽然是高校出身，在没有高职高校的职业资格的情况下，也称不上是高技能

人才。

对现在的高职高校的调查中发现，很多高职高校对高级技工要求不是很高，它们只是将职业资格鉴定限于初、中级（国家职业五、四级），与中职学校没有什么区别。也只是很少的高职高校对高级工鉴定有一定的初步涉入。对于高级技师的评定方法来看，一般采用工作以后的业绩评价和能力评价相结合的方法。所以，对于现在的高职高校的技工人才鉴定方面，还有很多要改进的地方，它们的培养模式中缺少高级技工人才。但是，它们对于技工知识理论体系的教学还是有一定成就，发展了一批一线有潜力的员工，只要加以训练，日后必将进入高级技工行列。

既然高级技工的要求比一般技工的要求高，那么具体体现在哪些方面呢？我们可以对新的针对高级技工鉴定考试大纲做一个详细的了解，我们可以发现它比一般的维修电工要求的知识体系要高得多，要求的知识内容也多了很大一部分。比如数字机床控制系统、电力半导体、特种电机、可编程控制器（PLC）、自动控制原理、微机原理、变频器、电梯控制系统及部分新的机械知识等。这些知识并不是随意加上去的，它们是维修电工在工作中所必须掌握的知识技能。尤其是现今高速发展的科学技术，使得维修电工要掌握的技能也日新月异，所以从实际需要的角度看，高级维修电工必须广泛掌握这些技能，满足实际的需要。这些技能都是社会前沿知识，比较新，并且更新速度快，几乎一段时间都会有新的电工技术得到应用；它们也往往是学科综合性强的知识，每个系统都可能涉及很多种新技术；广泛应用了自动控制理论、电力电子技术、微机控制技术。因此，随着经济和技术的发展，应不断加强对高级电工的要求，不断扩大高级电工的知识体系，不断加强研究高级电工的知识获取途径。

2 高级维修电工知识技能结构分析

正是由于高级维修电工的知识体系的不断扩大，与一般的维修电工相比，内容更加复杂。但是这种知识往往是高级技师以后的工作可以应用到的技能和知识，并且它们代表着先进技术发展方向。因此，高级技术人员必须掌握这些高技能知识，如电力电子技术、自动控制理论、微机控制技术等。

第一，微机控制技术的核心是可编程逻辑控制器（PLC），它是一个简单易用的使用工具，运用中包括用户计算机和电路的设计、电气产品制造的两种编程。数控系统的电梯控制系统是靠可编程控制器来维持的，同时它是控制系统的核心。

第二，变频器的微机控制技术的核心，是由一个简单易用的控制电器电脑+功率半导体器件的脉宽控制理论设计和制造结合使用的。此外，数控系统服务控制器也可用微机+功率半导体器件的脉宽控制和速度控制，它用的是简单易用的控制电器制造设计和变频器控制理论。由于知识是相通的，部分功能变频器同时也能够服务控制器，这方面无可厚非。可以说，速度控制、速度控制系统以及新的变频器、伺服控制器是电力电子技术的具体应用。

第三，具有维修电工先进新知识的伺服控制器、变频器、控制系统、可编程控制器需要开环、闭环控制理论的指导，如果没有自动控制理论，暂且不说能不能设计出来，伺服控制器一百五十以上产品参数将不会启动，在数控系统里面，电梯控制系统是无所适从的。

另外，关于电机原理的知识也是电机控制系统的基础部分。所以，微机控制技术、电机学、电力电子技术、自动控制理论也就可以说是高级维修电工新增知识的理论基础。

3 高级维修电工知识技能的学习

对于高级技工知识体系的学习，有很多值得借鉴的经验。高级特工必须做到的是自我学习的能力。这是对高级技工的必备要求。因为不光是课本上的知识，以后工作中碰到的紧急问题也往往是千变万化、不尽相同的，所以高级技工要强化自我学习的能力，在经验中不断总结，不断自我学习。在课堂上，不能只是靠老师的讲解，还要有自己的看法和自己的实践。因为技工知识不是固定不变的，随着科学技术的发展，新技术新知识不断涌现，以前的知识往往就成为淘汰的东西，所以不要以为老师就什么都会、什么都懂。还有，高级技工的知识是靠实践得来的，只有实践才能检验知识的正确性。因此，我们的高级技工要理解“授之以鱼，不如授之以渔”的道理。只有真正具备了自我造血能力，才能在以后的工作中担当重要角色，并获得不菲成就。

为了高级技工充分学习新知识新技能，对必备知识有很好的把握，必须对这些高级维修电工的理论体系有一个很好的正确认识。只有这样，才能理解它们之间的相互关系，才能在以后的工作中应用自如。

在高级维修电工教学中，我们必须加强微机控制技术、自动控制理论、电力电子技术、电机学基础知识的学习。虽然这些课程理论知识较为复杂，但是我们可以应用对媒体教学和一体化教学相结合，同时还可以应用行为导向法，这样就大大降低了学习的难度，有利于高级技工的快速学习。

为了综合应用微机控制技术、电力电子技术、电机学课程、自动控制理论，为了充分理解伺服控制器、变频器、调速系统、可编程控制器等，我们要加强这些问题的实践，在实践中找问题，然后解决问题。同时在学习这些基础课程时，一定要偏重于综合应用和以上技术的联系，把握典型电路和基本概念，主要掌握问题是如何提出的、如何解决的，又是如何应用的，不能割裂地讲述单科知识。

从图1看出PLC是控制器中的代表、变频器是调速中的代表，因此，在高级维修电工教学中必须强化PLC、变频器原理的学习，强化PLC、变频器典型电路的技能的训练，相信只要PLC、变频器学透，就不难理解其他先进控制技术和系统。

总之，相对中级维修电工来说，高级维修电工新增的知识主要集中在先进控制技术方面，这就要求学校教师要主动加强自我学习，熟悉和跟踪先进控制技术的发展。

参考文献

[1]邓泽民.CBE理论与在中国职教中的实践[M].北京：

煤炭工业出版社，1995.

[2]皮连生.学与教的心理学[M].上海：华东师范大学出

版社，1997.

[3]龙德毅.改革与创新[M].哈尔滨：哈尔滨出版社，

1999.

[4]孙立春.素质教育论[M].济南：山东教育出版社，

1999.

[5]陈玉琨，等.课程改革与课程评价[M].北京：教育科

学出版社，2001.

[6]陈扬光.课程论与课程编制[M].福州：福建人民出版

篇6

关键词：项目化教学；形成性考核

以考核知识为目的、以终结性考核为

主要手段的“学生成绩评定”存在的弊病

目前在高职院校，评价学生一门课程学习成绩比较通行的做法是由平时成绩和终结性考核成绩按照一定的比例组合而成。平时成绩主要由平时作业、实验、到课率组成，终结性考核成绩即我们所说的期末考试成绩。尽管不同学校、不同专业、不同课程的平时成绩与终结性考核成绩的比例不尽相同，但一般是以终结性考核成绩为主，约占70％～80%，平时成绩约占20％～30%。

这种学生成绩的评定方法已延续了多年，在知识学习中发挥了一定的作用，但从高等职业教育的目的来看，目前普遍采用的以考核知识为目的、以终结性考核为主要手段的“学生成绩评定”存在以下弊端。

（一）考核目的与职业教育目的错位

高等职业教育的目的是为生产第一线培养大量的下得去、留得住、用得上，实践能力强、具有良好职业道德的高素质、高技能人才。如果我们采用以考核知识为主的“终结性考核成绩”确定学生的学习成绩，其结果是在培养“会考试的读书人而非会干活的职业人”。

（二）不能激发学生学习技能的积极性

考核项目中不能体现技能训练的效果，没有技能操作的内容，大多数学生训练技能的积极性必然不高。

（三）不利于教师实践能力的提高

学生成绩评定以知识考核为主，即使学校鼓励教师转变教学观念，增强技能训练，加大实践教学的力度，但由于反映学生能力与教师能力的评价标准仍以知识目标为主，客观上导致教师只注重知识传授，忽视了自身实践能力的提高。

自2004年起，随着我校高等职业教育思想、教学模式、教学方法、教学理念的大讨论，承担电子技术课程的部分教师围绕电子技术课程的教学与考核改革，摸索出了一套比较完整的项目化教学体系。自2005年9月开始，为加强过程考核，精心设计了形成性考核方案，在实施中取得了较好的效果。本文以模拟电子技术课程为例，介绍了实施项目化教学与行程性考核的一点体会。

形成性考核的探索与实践

（一）高职学生的特点

客观地说，进入高职的学生在学习成绩上的确差人一筹，大多数学生的语文、数学、外语基础相对薄弱，学习方法不当，自学能力较差，尤其不擅长理论计算。但从我国的人才结构上来看，社会需要的大量高技能人才必须也一定是出于这个阶层，高等职业教育应该责无旁贷地承担起这个社会责任。

经过近几年的教学实践，我们发现尽管这些学生在理论计算方面不如别人，但大多数学生在技能训练中却优势明显。只要方法得当，经过合理引导、适当训练，完全可以在技能操作方面形成自己的特长，在就业市场找到自己的位置。

（二）职业岗位对高职电气类学生的技能、知识、素质要求

在每年制定专业培养计划的时候，专业教师都要到企业和人才市场针对“职业技能、专业知识、职业素质”进行专门的市场调查。通过连续几年走访，总结出就业岗位对电气自动化技术专业的从业人员综合要求是：

职业素质吃苦耐劳、敬业爱岗、团队合作。

核心技能会使用电工仪表、电工工具，能够进行照明、低压动力线路检修，能够进行常用低压电器的检修与排故；能借助电工工具和电子仪器，进行一般电子电路的安装、焊接、测试及排故；能实施电机的电气控制，能进行电机的变频调速与设置；能看懂电气控制线路图，能够用PLC改造典型的继电器控制系统；能够对以单片机为核心的设备、仪表进行维护和调试；会正确选用、使用传感器和自动化仪表，能够对过程控制回路实施PID调节。

专业知识电路基础与电工测量；电子技术应用；电机及其控制技术；单片机应用技术；电气控制与PLC；检测技术与自动化仪表；电力电子技术应用；控制系统的构成与调节。

调查结果显示，电子技术的知识不仅仅用于电子领域，还是电力电子技术、自动化仪表和单片机技术的基础。因此，学好电子技术，掌握电子技术的基本知识与基本技能十分重要。

职业岗位所需要的职业素质、核心技能、专业知识就是我们的培养目标。这些培养目标分解到每门课程中就形成了各门课程的教学目标与考核目标，也就是学生的学习目标。从功利的角度来看，学生虽然不注重学习过程，但很在意学习成绩。因此，如何考核，考核什么会极大地影响学生的学习目标。如何运用好考核这个指挥棒，引导学生积极地学习知识、训练技能是高职院校教师需要积极探索与实践的课题。为体现高职学生的特点，准确地反映出他们的真实学习表现与综合水平，在模拟电子技术的教学活动中，我们通过调整终结性考核的比例，加强了过程监控，注重形成性考核，下面即是对实施过程的详细说明。

（三）形成性考核的探索与实践

我们所实施的形成性考核旨在考察学生在课程（技能与知识）学习期间的学习表现，记录学生阶段性学习成果。它关注学生在整个技能练习与知识学习过程中的综合表现，其目的是促使学生关注学体目标，积极参与学习过程，以期能对学生自觉学习、提高综合能力起到主导作用。考核内容与课程的教学内容（技能训练与知识学习）紧密结合，即教什么、练什么就考什么。具体的考核方式和成绩分配如下：

职业素质考核（10%）――引导学生培养职业素质这一部分重在考核学生平时的到课情况和上课表现，循序渐进地对学生进行职业素质的培养。目前，用人单位在招聘人才时，很注重员工能否遵守规章制度，是否具有爱岗敬业精神、团体协作精神、吃苦耐劳精神等方面素质。因此，对高职学生而言，职业素质的养成十分必要。通过职业素质的培养，可以增强他们的就业竞争力，奠定未来发展的基础，可以引导、激励他们增强信心、走向成功。

学习过程考核（30%）――引导学生积极参与学习过程学习过程考核的目的是引导学生积极参与平时的学习过程。该项考核中，平时作业占10%，5个单元实验占20%，每个单元实验包含电路焊接、实验过程、数据处理、实验报告。每次作业和实验都有一定的分数，目的在于激发学生的学习热情，调动他们的学习积极性、主动性。平时作业和单项实验是教学过程中质量控制的杠杆，是反映和检验学生在学习过程中努力程度的标志。平时作业能帮助学生在学习过程中加深对基本概念和知识的理解；单项实验有利于学生初步掌握在专业领域内进行实验的基本技能，为进一步完成后续综合项目的训练以及分析、解决将来的工程实际问题打下基础。

综合应用能力考核（20%）――引导学生学会应用知识、训练综合技能综合项目的实施是培养学生学会应用知识、训练综合技能的有效途径，是学生学习电子技术的重中之重。为此，模拟电子技术课程安排了三个综合项目，即直流可调稳压电源的设计与装配；简易波形发生器的装配与调试；功放电路的装配与调试。综合项目要求学生对电路进行安装、焊接、调试与参数测量，并写出项目报告。为保证项目的实施效果，鼓励学生互相学习，互相讨论，相互帮助，引导学生掌握模拟电子技术所必须的基本技能与基本知识，在实施中做到逐人考核，每个综合项目考核结束后电路板上交，有效地杜绝了抄袭行为。综合项目给学生提供了一个表现自我的平台，引导学生积极参与学习过程，综合项目结束后要求学生展示自己的作品。由于综合项目的结果可检验和演示，有相对客观的评价标准，全班同学均可做评委，极大地调动了学生参与的积极性与主动性。每个综合项目考核内容如下：（1）焊接技能――元件的整体布置是否美观，焊点的光洁度、焊点的大小。（2）项目结果――电路的整体效果。（3）数据测试――仪器的使用方法，数据的测试过程与测量结果。（4）回答问题――对原理电路的理解程度，对测量参数的理解程度。（5）项目报告――数据处理方法与项目结论。

职业所需的理论素养考核（40%）――引导学生学习必要的基础理论与专业知识高等职业教育的根本任务是培养高技能型人才，高技能型人才必须具备一定的基础知识与专业知识。从某种程度上来说，这些知识决定了一个职业人在未来技术领域所能从事的工作范围和岗位层次。对基础理论与专业知识的考核以笔试的方式在学期末进行。考核内容均为职业岗位所需的基本理论与基本知识，不要求学生死记硬背公式，不出偏题、怪题，注重知识应用。比如综合项目或单元实验中所用到的知识就是我们上课需要重点介绍或讲解的知识，也同样是我们重点考核的知识。

实施效果分析

经过一年的教学实践，实行项目化教学与行程性考核和传统的教学与考核相比，尽管平时的作业上缴、单元试验以及技能训练对有些学生来说是被动的，但从实施效果来看，大多数学生的学习积极性明显提高。2005～2006学年第二学期末对电气3051/3052班共71位学生进行了问卷调查，统计结果如右表所示。

从右表可以看出，多数学生愿意接受形成性考核，并认为形成性考核对他们的技能训练与知识学习有促进作用。通过在模拟电子技术课程中的实施，我们感到形成性考核的作用及价值主要体现在以下三个方面：

考核目的与高等职业教育的目的相一致以职业岗位需要的专业技能、理论知识和职业素质的学习与建立为主要目的的形成性考核，注重学生的学习过程与阶段性成果记录，对学生积极参与学习过程起到了很好的督促作用。

提高了学生技能训练的积极性高等职业教育的目的就是为生产现场培养高技能型人才。我们采取的形成性考核中综合技能训练与单元实验所占比例高达40%，通过多阶段、多侧面评价学生的综合表现，能更准确地反映高职学生的自身特点、技能水平和知识水平。

促使教师提高自身的实践能力在形成性考核中综合技能训练与单元实验占较高的比例，这就要求从事高等职业教育的专业教师不仅要具有丰富的理论知识，更需具备过硬的技能，客观上督促教师向“双师型”转变。

我们并不期望仅仅通过一门课程的项目化教学与形成性考核就能提高学生的综合技能与知识水平，养成他们的职业素质，但我们相信涓涓细流终能成万卷波涛。因此，在模拟电子技术教学成功探索与实践的基础上，将在电气自动化技术专业各主干课程中推广实施项目化教学与形成性考核。

参考文献：

篇7

[关键词]机电一体化 基本功能 应用领域

中图分类号：TD92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0092-01

一、机电一体化的基本概念和特点

机电一体化是一门新兴的边缘性的技术学科，它是由机械、电子技术及计算机科学等多个学科互相结合渗透而形成并发展起来的，而机电一体化产品则是运用最新的微电子、计算机技术以机械产品为基础研发出来的新产品。在工程领域对各类技术实践应用后，再加以借鉴与整合就创造出了现在的机电一体化技术，所以说它是在机械、微电子、自动控制、计算机和信息处理、伺服驱动、电力电子等技术以及系统的总体技术的基础上形成的一项高新技术。

如下特点是机电一体化产品普遍具有的：具有可以自动监视、诊断、报警、保护的功能；具有自动处理和控制信息的功能，可以通过自动控制系统确保机械的操作者按照设计要求精确地完成预先设定好的程序，以使其不会依靠主观思想来行动，从而保证良好的工作质量和完美的产品合格率，而机械控制的灵敏度和检测的精确度及范围也获得了提高；采用复合技术、复合功能，这脱离了原来传统机电产品单技术、单功能的局限，很大程度上提高了产品的功能水平及自动化的程度；利用程序控制和数字显示技术，减少了操作的按钮和手柄的数目，使操作变得更为简单方便；在不同的应用领域和场合，其具有可以自动控制、自动补偿、调节、自动校验、保护及智能化等功能，从而能够迅速的满足不同用户的不同需求；具体的安装调试过程中，可根据不同用户对象的需要、实际参数的变化等来相应的改变控制程序以使其适应变化的工作方式。而且不必改变产品的任何部件或零件，只需利用不同的手段，就能将这些控制程序输入到产品的控制系统里[1]。

二、机电一体化的核心技术

1、机械本体技术：该技术的主要功能是改善性能、减轻质量和提高精度。目前发展方向是减轻机械本体重量，实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。

2、驱动技术：该技术的主要功能是快速响应。目前主要是在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。

3、信息处理技术：主要功能在于实现机电一体化与微电子学、信息处理设备紧密相连。目前主要是提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。

4、接口技术：该技术是使数据传递的格式标准化、规格化，接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前的研究方向主要集中在开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。

三、机电一体化技术的应用

1、制造工程领域的应用

现代制造业充分的利用现代化的科学技术，使用电子计算机技术，对其自身的制造技术进行提升。因此，制造工程领域的新技术也不断的被研发出来，例如：计算机的数字控制、现代集成制造系统、敏捷制造、柔性制造技术、并行工程、虚拟制造等[2]。

2、食品行业中的应用

随着机电一体化技术广泛应用到食品、饮料等的包装机械的制造和开发设计上，单机的自动化程度有了明显的提高，而包装生产线也提升了生产的能力和自动化控制的水平，从而使其在与传统的同类控制设备的竞争中处于领先优势。这极大的提高了企业产品的国际影响力，并提升了食品饮料业包装生产的设备的产品质量。

3、钢铁工业中的应用

为了把工程大系统综合统一起来，钢铁企业就利用机电一体化系统，来完成这项巨大的工作。而这个系统的核心就是微处理机，通过将工控机技术、微机技术、数据通讯、仪表、显示装置等技术统一结合起来，再采用组装合并的方法，就能确保系统控制的精确度、质量及其工作的可靠性。而传统控制技术已不适应钢铁工业大型化、高速化及连续化的特点，难以解决一些现实问题，所以就必须采用智能控制技术。通常智能控制技术被运用在钢铁企业的生产中，深入到各个环节里，该技术主要包括了专家系统、神经网络及模糊控制等，具体应用环节则有：设计产品、生产控制产品，诊断设备和产品质量等方面，最关键的是它是利用计算机来对整个生产过程进行管理、监视、操作及分散控制。例如：高炉的控制系统，轧钢系统，冷连轧，电炉和连铸车间等都利用到了这个技术。测控技术的不断发展，使分布式控制系统具有了丰富的功能，也因此成为测、控、管一体化的一种综合系统。它在对生产过程控制的同时，还可以在生产过程中还可以实时进行调度、统计管理生产计划，最终实现在线的最优化。而交流调速技术也伴随着微电子技术、电子电力技术的发展而发展起来，交流传动因具有独特的优越性，所以电气传动技术在未来必将是由直流传动转变成交流传动。又由于数字技术的发展，矢量控制技术虽复杂但已显现出它的实用性，交流调速系统的调速性能因此超越了直流调速。目前，交流传动系统日益之所以会受到像轧钢企业等各行业客户的欢迎，不同容量的电机均可以通过同步或异步电机来实现可逆平滑调速一个重要的原因[3]。

结束语

各种产品和装置因为机电一体化技术的发展，也完成了机电一体化，从而达到了自身的整体优化，也有利于产品质量和生产效率的提高，并缩短了新产品生产开发的准备周期，使其由科技成果快速向商品转化，从而深刻变革了传统产业。又由于新产品研发的需要以及发展高精密设备的需要，所以未来的机电一体化技术、产品及其系统必然会向着智能化、系统化、高性能、微型化、轻量化的方向迈进，并最终为国家带来创造巨大的经济和社会效益。

参考文献

[1] 袁中凡.机电一体化技术[M].北京：电子工业出版社.2006.

篇8

关键词：机电一体化；数控机床；应用

中图分类号：TH-39文献标识码： A 文章编号：

前言

随着经济社会的不断发展和科学技术的更新进步，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。由于大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，特别是微型电子计算机的空前发展，促进了机械技术和电子技术的相互交叉和相互渗透，并使机械技术和电子技术在系统论、信息论和控制论的基础上有机地结合起来，形成了机电一体化技术。数控机床作为机电一体化产品的典型代表在当今制造业中扮演着非常重要的角色，本文就机电一体化在数控机床中的应用进行分析探讨。

1 机电一体化的基本概念

机电一体化的基本概念是根据系统功能目标和优化组织目标。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展。由此而产生的功能系统---机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。机电一体化是从系统的观点出发，合理配置与布局各功能单元，还将被赋予新的内容。并使整个系统最优化的系统工程技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称，是综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值。具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，还能赋予许多新的功能。其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，但是发展到机电一体化后。“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面，其主要功能依然是代替和放大的体力，机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑，这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。因此，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术。

2 机电一体化在数控机床中的应用

2.1 机械设计技术的应用

机械技术是机电一体化的基础。在机械与电子相互结合的实践中，机电一体化不断对机械设计技术提出更高的要求（如结构更新颖、体积更小、质量更轻、精度更高、动态性能更好等），使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大改变。所谓数控机床，它主要还是一台用来加工零件的设备，但其在应用机电一体化之后，已不再是原来意义上简单的机床。数控机床的主传动、各个坐标轴的进给传动都由单独的伺服电动机驱动，并且各个坐标轴之间的运动关系通过计算机来进行协调控制。数控机床的机床本体部分相对于以往的普通机床做了很大的改进，主要包括以下几点：（1）采用了全封闭或半封闭防护装置。数控机床采用封闭防护装置可防止切屑或切削液飞出，给操作者带来意外伤害。（2）采用自动排屑装置。数控机床大都采用斜床身结构布局，便于采用自动排屑机，排屑方便。（3）主轴速高，工件装夹安全可靠。数控机床主轴箱大都由电主轴或传统机械主轴单元加变频电动机和变频器组成，以适应更高的转速要求；采用液压卡盘，夹紧力调整方便可靠，同时也降低了操作工人的劳动强度。（4）可自动换刀数控机床都采用了自动回转刀架，在加工过程中可自动换刀，连续完成多道工序的加工。（5）主、进给传动分离。数控机床的主传动与进给传动采用了各自独立的伺服电机，使传动链变得简单、可靠。同时各电机既可单独运动，也可实现多轴联动。这些都是机电一体化总体设计技术和机械设计技术的成功应用。

2.2 自动控制等技术的应用

在数控机床中，主要采用高精度定位控制、速度控制等自动控制技术，来保证数控机床的正常运行。信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出，它们大都依靠计算机来进行，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。所谓数控机床，其与普通机床的最大区别即在于“数控”，数控就好比给一台机器装上了一个“脑袋”，这是机电一体化应用中最为普遍的一点，同时它也是数控机床的核心。这部分集合了计算机技术、信号变换技术、软件编程技术等多项机电一体化技术，通过接收操作者通过输入装置输入的加工机电一体化在数控机床中的应用信息，经数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲到伺服系统，以驱动机床。如广泛应用于数控机床的可编程控制器（PLC），它主要是接收数控装置的 M、S、T 指令，对其进行译码并转换成相应的控制信号，控制辅助装置完成机床的相应开关动作，同时接收操作面板和机床的 I/O 信号，送给数控装置，经其处理后，输出指令来控制数控装置的工作状态和机床的动作。数控机床中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行，信息处理是否准确、及时，直接影响到产品的质量和效率。

2.3 执行与驱动技术的应用

数控机床中的伺服系统主要包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等，完成接收数控装置输出的指令信息，经功率放大后，驱动机床执行机构按规定的路径运动，以加工出符合要求的零件。伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件一方面通过电气接口与数控装置相连，以接收数控装置的控制指令；另一方面又通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作，因此伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。伺服系统在数控机床中的成功应用，使得数控机床具有较高的精度与稳定性。

2.4 检测与传感技术的应用

在数控机床中测量与反馈是由检测元件和相应的电路组成，它们将检测到的信号反馈至比较电路，经信号比较和信号放大驱动机床，以准确的速度做准确的定位。这是由于检测与传感技术是机电一体化的关键技术，它主要是将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号灯转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感与检测技术是数控机床不可或缺的一部分，它实现的是数控机床自身的实时监控与检测，保证每一个行动都按照下发的指令去操作，从而有效地保证了机床的正常运行与产品的质量。

结束语

随着经济社会的不断发展和科学技术的更新进步，和微电子技术突飞猛进的发展，计算机本身也发生了巨大变革。以微型计算机为代表的微电子技术逐步向机械领域渗透并与机械技术有机结合所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品结构、功能、生产方式及管理体系均发生了重大改变，从而使工业生产进入了一个崭新的“机电一体化时代”。机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。

参考文献：

［1］袁中凡.机电一体化技术［M］.北京：电子工业出版社，2006

篇9

关键词：机电一体化 主功能 动力功能信息处理功能 控制功能

一、机电一体化的基本概念

机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，而机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合，它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术。与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有下述优越性。

（一）使用安全性和可靠性提高。机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。

（二）生产能力和工作质量提高。机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。

（三）使用性能改善。机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。

（四） 具有复合功能并且适用面广。机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。

（五）调整和维护方便。机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。对于具有存储功能的机电一体化产品， 可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。

机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业生产过程的所有领域，因此，机电一体化产品的种类很多，而且还在不断地增加。按照机电一体化产品的功能，可以将其分成下述几类。

①数控机械类。主要产品包括数控机床、机器人、发动机控制系统以及全自动洗衣机等。这类产品的特点是执行机构为机械装置。②电子设备类。主要产品包括电火花加工机床、线切割机、超声波加工机以及激光测量仪等。这类产品的特点是执行机构为电子装置。③机电结合类。主要产品包括自动探伤机、形状自动识别装置、CT 扫描诊断机以及自动售货机等。这类产品的特点是执行机构为电子装置和机械装置的有机结合。④电液伺服类。主要产品为机电液一体化的伺服装置， 如电子伺服万能材料试验机。这类产品的特点是执行机构为液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。⑤信息控制类。主要产品包括传真机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机、复印机等。这类产品的主要特点是执行机构的动作由所接收的信息类信号来控制。除此之外，机电一体化产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。

二、机电一体化产品的构成及特点

机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。从其结构来看，机电一体化产品具有自动化、智能化和多功能的特性，而实现这种多功能一般需要机电一体化产品具备五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能和执行功能，而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体或系统。

（一）机械系统。机电一体化产品的机械系统包括机身、框架、机械传动和联接等机械部分。这部分是实现产品功能的基础， 因此对机械结构提出了更高的要求， 需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、多功能、可靠、节能和小型轻量等要求。

（二）动力系统。动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。动力系统包括电、液、气等动力源。机电一体化产品以电能利用为主，包括电源、电动机及驱动电路等。

（三）传感与检测系统。传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般由测量仪器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与联接、检测精度高、抗干扰等。

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[关键词]EDA技术;数字电子技术;案例

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）11-0167-04

一、引言

“数字电子技术”课程是自动化、电气、电子信息等相关电类专业的核心专业基础课之一，该课程由理论教学和实践教学两部分有机组合。其中实践教学对学生掌握电子技术基础知识，培养学生的实践操作、团队合作精神、分析并解决问题、创新等能力起到关键作用。因此，如何加强数字电子技术实验课程教学，以更好地巩固理论知识并提高实践能力，是理工科大学生培养的重要环节之一。

随着电子技术的快速发展，EDA（Electronic Design Automation电子设计自动化）技术在现代电子设计领域的地位使其成为电子技术课程中必不可少的教学内容。在许多优秀教材中都增加可编程逻辑器件和硬件描述语言等EDA内容。传统的电子技术实验虽然能让学生更好地理解掌握器件性能及具体应用，但受实验箱端口、芯片数量及连线限制，传统实验只能完成验证性实验和较简单的电路设计及实现。引入EDA技术能很好地补充传统实验的不足，同时也为后续的数字系统设计提供很好的基础。因此如何利用EDA技术更好地辅助教学是顺应发展趋势。众多学者给出了许多教改方案，如实验内容与实验体系、实验教学方法、EDA设计仿真技术、项目教学法等，这些教学方案也取得一定的效果。而本文主要是从案例的方面探讨EDA技术在数字电子技术教学中的应用，既有利于学生理解理论知识，又培养学生一定的综合分析能力、开发和创新能力。

知识的膨胀与学时有限的矛盾也是日益突出，因此如何在不额外增加学生学习压力的前提下，尽可能地提高教学有效性也是需要进行探索的方面。

二、总体方案

利用NI的Multisim软件虚拟电子元件和电路辅助理论教学。该软件的可视化仿真实现“软件即元件”、“软件即仪器”，能形象、生动、快速地设计、测试和演示各种数字电路。在掌握数字电路分析和设计的基础上，再结合可编程逻辑器件FPGA开发板推进综合数字系统设计。通过这也是本文主要阐述的内容。

因为教学课时有限，因此可将Multisim仿真和可编程器件的知识通过短视频讲解的方式放在教学群共享里。引导学生利用零碎的时间学习并完成相应的任务，将理论分析设计知识应用到具体的仿真和系统设计中。在课堂教学中挑选几个典型案例进行分析、讲评，以便学生更好地理解合理设计、修改错误、避免同类错误等，最终达到有效教学的目的。

（一）Multisim在教学中的辅助应用

Multisim广泛地用于模拟电路和分析、数字逻辑电路、微控制器、电力电子与系统、学生设计和科研项目中，它已受到国内外教师、科研人员和工程师的广泛认可，称为先进SPICE仿真标准环境。

为了让学生能更好地理解器件功能及电路分析设计的能力，引入Multisim能有效促进学生的知识理解，提高创新思维能力和学习主动性。以常见的中规模器件译码器设计为例。

设计一个交通灯故障检测电路，要求红、黄、绿三个灯有且只有一个灯亮，则正常;无灯亮或有两灯以上亮均为故障，则输出故障信号。要求使用译码器和少量门电路设计。

1.将文字的设计要求转换为数字逻辑表达形式，即逻辑抽象和列真值表，如表1所示。

输入变量：红（R）、黄（Y）、绿（G）;亮为1，灭为0。

输出变量：故障信号（Z）;故障为1，正常为0。

2.列出符合目标器件的逻辑表达式。

根据真值表写出表达式：Z=R′Y′G′+R′YG+RY′G+RYG′+RYG。由于译码器的输出是m的形式，所以需要转换表达式。转换后的结果为：

Z=Σm（03567）-Σ（m′m′m′m′m′）′。

如果直接按该式则译码器输出端的连线会比较多，因此采用圈0取反的形式则更简洁。

3.画出逻辑电路图，如图1所示。

在许多理论书上，到这一步可能就结束了。学生对器件的认识和逻辑电路应该怎么实现设计要求可能还是觉得比较抽象。而实验操作课的课时又有限，不能每个器件或电路都进行搭建并观察现象。因此利用Mulitisim的可视化功能能有效地提高学习效率。

4.在Multisim中搭建实现电路，并观察分析现象。

利用发光二极管来模拟红、黄、绿三个交通灯，在输出端用发光二极管来指示是否故障。根据逻辑门的技术参数可知：对TTL器件而言高电平时输出电流较小，低电平时输出电流较大;而发光二极管流过电流至少要几个毫安才能发光，因此可以选择在原有逻辑电路图的输出端增加非门。为了满足尽可能少的器件，可将逻辑电路图的与门转换为与非门。具体的仿真电路如图2所示。

图中显示红灯和绿灯都亮时，故障指示灯ALARM亮。通过仿真学生能直观地掌握设计到电路实现的整个流程，而不仅仅停留在设计阶段，同时举一反三地仿真其他电路。对译码器和逻辑门的功能有较深刻的认识，对发光二极管的导通压降和流经的电流值有更确切的理解，并根据发光二极管的电流要求选择合适的限流电阻值。

（二）可编程逻辑器件在综合数字系统中的应用

传统的电子技术实验和Multisim仿真虽在电子电路分析设计中有较大的优势，但对于综合数字系统设计则具有一定的局限性。目前，在综合数字系统设计方面，基于可编程逻辑器件的设计是电子自动化设计的发展趋势，它更注重层次化设计思想。以FPGA为代表的可编程逻辑器件的设计受到学校和企业的普遍重视，掌握FPGA技术也是新技术发展的热点之一。

这里以99s数字秒表设计为例。要求：误差小于0.1s;设置外部操作开关，控制计时器启动计数、暂停/连续计数。

根据设计要求可知，该电路由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路和辅助时序控制电路等五部分组成。具体原理框图如图3所示。秒脉冲发生器由555多谐振荡器或石英晶体通过分频实现;计数器采用加法计数器，能暂停、清零、设置计数范围;数码显示需用到译码驱动，根据所用数码管是共阴型或共阳型来选择相应的译码驱动器。控制电路能实现暂停/启动计数、开关去抖动等功能。这样通过这个小系统的电路设计，将组合逻辑、时序逻辑、脉冲产生等电路知识有机结合起来。具体Multisim仿真如图4所示，图中的脉冲产生采用555多谐振荡器。通过设计、仿真、电路焊接和调试，能很好地掌握MSI逻辑电路的分析设计、元器件参数值的计算和选择、测量调试等。

通过99s数字秒表电路，学生能很好地掌握555、逻辑门、计数器、译码显示器、数码管等器件原理和应用;硬件制作过程也较顺利。但是一旦设计要求提高，电路复杂度也随之增加，再用这种设计方法则存在较大的限制，且硬件制作时出错的概率也会大幅提高。在掌握数字逻辑基础的前提下，利用可编程逻辑器件来提高数字系统设计的能力。

制作数字系统设计相关知识的短视频，并上传到教学群共享;根据数字逻辑课程进度要求学生完成短视频的观看并完成相关的练习。学生通过时间碎片的学习掌握硬件编程语言基本语法，使学生逐步掌握一些基本的组合和时序逻辑电路实现方法。这样就能设计一些简单的逻辑电路和系统，进而过渡到后续的复杂数字系统设计。以前面99s数字秒表为例。

根据图3中99s数字秒表原理框图可知数字秒表需要产生秒脉冲、计数、译码显示等模块。

1.秒脉冲

由于FPGA开发板使用的晶振为50MHz，所以要得到1Hz的信号，需经过50 000 000次分频，通过分频程序即可实现。

2.计数

99进制计数程序如下所示，通过少量的语句就可以实现99进制计数。计数模块使用率高，因此可将计数模值设置为parameter参数值，每次使用只需修改parameter值即可。

always @（posedge clk or negedge rstn）

if（！rstn）

begin rcount_h<=4′d0;rcount_l<=4′d0;end

else if（rcount_h==4′b1001 && rcount_l==4'b1001）

begin rcount_h<=4′d0;rcount_l<=4′d0;end

else if（rcount_l==4′b1001）

begin rcount_h<=rcount_h+1;rcount_l<=4′d0;end

else

rcount_l=rcount_l+1;

assign count_num[7∶4]=rcount_h;

assign count_num[3∶0]=rcount_l;

3.显示译码

由于计数时采用的8421BCD码，因此要将8421BCD计数值译码转换为七段数码管显示所需的段驱动。这里以共阳极数码管为例给出显示译码的部分程序，设置好参数后，只需采用case选择语句就能完成显示译码。相应地，程序编写也能有助于学生理解译码器件的功能表。

parameter_0=8'b1100_0000，_1=8'b1111_1001，_2=8'b1010_0100，_3=8'b1011_0000，

_4=8'b1001_1001，_5=8'b1001_0010，_6=8'b1000_0010，_7=8'b1111_1000，

_8=8'b1000_0000，_9=8'b1001_0000;

4.动态显示和扫描

如果采用静态显示的方式会耗费较多的I / O口，因此通常采用动态显示的方式。通过分频得到1ms的扫描时钟信号。在第一周期将计数值count_num[7∶4]送往第一个数码管并扫描第一个数码管（使能），在第二个周期将计数值count_num[3∶0]送往第二个数码管并扫描第二个数码管（使能）。动态显示和扫描都可以通过简单的case语句来完成，这里就不再列出。

5.顶层原理图

各子模块都分别实现并通过测试后，就可以在顶层组合成主模块进行功能仿真和时序仿真，根据硬件资源分配管脚，最后下载到开发板进行验证。顶层用图形化编辑方式能更加直观地显示各模块的位置及数据流的方向。具体顶层图如图5所示。顶层原理图仿真调试通过后就可以下载到开发板验证。

该设计方法可以快速地扩展为电子时钟的设计、频率计设计等，许多模块的程序可以复用，因此增加的工作量很少。

（三）不同EDA技术在数字电子技术实验应用中的比较

通过前面的具体案例分析可知：Multisim仿真能够很好地辅助教学，促使学生更好地掌握分立元件和中规模器件的功能和具体使用，能直观地观察节点测量值和运行结果。但对于系统的扩展或者较复杂的电路则存在一定的限制。可编程逻辑器件则特别适合于复杂的数字系统开发设计，也顺应电子系统设计的发展趋势。因此在实验中将两者有机结合能更好地提高学习效率并奠定一定的复杂系统设计基础。

三、结论

本文通过案例分析的方式讨论EDA技术在数字电子技术实验中的应用。Multisim提供了强大的学习功能和实验室硬件集成，可帮助学生在整个工程和理论课程中轻松学习电子电路的基本概念和应用知识。FPGA技术更新快，从芯片、软件到各类参考书籍都层出不穷。因此在教学中强调形成电子自动化设计的思路，在教学中要求熟悉FPGA器件的开发环境Quartus软件、硬件编程语言（VHDL或Verilog HDL）基本语法和图形化编辑方式，在FPGA开发板上完成基本运算逻辑、组合逻辑设计、时序逻辑设计和状态机等。所完成的设计内容贴近教学内容且循序渐进，使初学FPGA技术的学生能快速上手，激发学生的学习兴趣并提高科创能力。

强调EDA技术在数字电子技术教学中的应用，希望学生能独立思考，寻找最适合自己学习、实践的方式方法。在后续学习中能结合传感器等相关课程完成相应的课程设计、科创项目、电子竞赛、毕业设计等，尽可能地达到有效教学的目的。教学经验结果表明，大多数同学能更好地掌握知识点并较快速地将EDA技术用于电子竞赛和大学生创新项目中。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 姚福安，徐向华，高宁.“电子技术基础”实践教学体系的建设与探索[J].实验室研究与探索，2014（10）.

[2] 王波，张岩，王美玲.“数字电子技术实验”课程的改革[J].实验室研究与探索，2012（9）.

[3] 阎石.数字电子技术基础（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程（第3版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015（6）.