通信課程實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)研究
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隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]的發(fā)展，要求任課教師利用多種信息化教育技術(shù)手段[2]應(yīng)用在教學(xué)中。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，往往都是根據(jù)教科書上的章節(jié)進(jìn)行知識(shí)內(nèi)容的講解，學(xué)生不能將各單元內(nèi)容串聯(lián)起來，并關(guān)注到各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。因此本文主要關(guān)注利用“互聯(lián)網(wǎng)+”背景[3]下新的教學(xué)方法，以學(xué)生為主體，教師為輔，教師的作用從主導(dǎo)變?yōu)橐龑?dǎo)[4]，本文以三點(diǎn)式振蕩器改進(jìn)過程為例，理論分析各電路的利弊，逐步改進(jìn)電路引導(dǎo)出后面的知識(shí)點(diǎn)。利用Multisim[5]進(jìn)行電路仿真，介紹了從理論分析、電路繪制及調(diào)試驗(yàn)收等方面的整體學(xué)習(xí)過程，通過觀察各種情況下的波形以及測(cè)量數(shù)據(jù)的變化，與理論知識(shí)相互驗(yàn)證，讓學(xué)生深入理解其改進(jìn)原理并能夠獨(dú)立完成仿真分析，整體實(shí)驗(yàn)效果良好?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)與教育相結(jié)合[6]，必然帶來教學(xué)方式和學(xué)習(xí)效果的新變革。
一、案例課程設(shè)計(jì)要求
振蕩器內(nèi)容設(shè)計(jì)，是《通信電子線路》課程中，接收機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)學(xué)生所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)了系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過由淺入深的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，能夠明確學(xué)生的學(xué)習(xí)方向，引導(dǎo)學(xué)生思考其背后的原理與本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深入探討了三點(diǎn)式振蕩器設(shè)計(jì)及其改進(jìn)電路原理現(xiàn)象的分析，鞏固了學(xué)生的知識(shí)，適合于所有學(xué)生學(xué)習(xí)?？傮w任務(wù)：利用Multisim仿真軟件，采用教材上的原理知識(shí)，選擇三點(diǎn)式振蕩器、克拉潑電路、西勒電路，以及相關(guān)改進(jìn)電路進(jìn)行仿真分析，并掌握幾種電路的原理知識(shí)和改進(jìn)方法?；緝?nèi)容：（1）理解三點(diǎn)式振蕩器的振幅平衡條件，相位平衡條件；（2）在Multisim中對(duì)電容三點(diǎn)式振蕩器進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，分析電路特性；（3）仿真克拉潑電路，對(duì)比電容三點(diǎn)式電路進(jìn)行性能分析；（4）仿真西勒電路，對(duì)比電容三點(diǎn)式電路進(jìn)行性能分析；擴(kuò)展內(nèi)容：（1）對(duì)每種振蕩器進(jìn)行分析，通過循序漸進(jìn)改變電路方式加深對(duì)振蕩器電路的理解；（2）分析改進(jìn)電路對(duì)電路性能的影響；（3）增加射極跟隨器，增強(qiáng)帶負(fù)載能力。
二、案例課程教學(xué)過程
啟發(fā)引導(dǎo)式案例教學(xué)方式執(zhí)行過程中，首先要講授振蕩器電路的定義及原理，以及波形產(chǎn)生過程：接通電源后，各種電擾動(dòng)→放大→選頻→正反饋→再放大→再正反饋→振蕩器輸出電壓↑→器件進(jìn)入非線性區(qū)→穩(wěn)幅振蕩。其次，分別針對(duì)電容三點(diǎn)式振蕩器、克拉潑振蕩器和西勒振蕩器進(jìn)行原理介紹和各類電路的優(yōu)缺點(diǎn)介紹，并講授清楚，振蕩器電路是如何一步步演進(jìn)和修改電路，以達(dá)到系統(tǒng)需要的性能。見表1所示。根據(jù)以上電路分析，為了提高帶負(fù)載能力和輸出信號(hào)幅度，對(duì)西勒電路進(jìn)行改進(jìn)。西勒振蕩器改進(jìn)電路主要由三部分構(gòu)成：起能量放大作用的三極管放大器，三點(diǎn)式回路組成的正反饋網(wǎng)絡(luò)，射極跟隨器構(gòu)成的緩沖級(jí)，如圖1所示。圖1為帶有射極跟隨器作為輸出緩沖級(jí)的西勒改進(jìn)振蕩電路。由射極跟隨器特點(diǎn)可知，射極跟隨器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)同相，保證了信號(hào)相位不會(huì)發(fā)生變化，只是信號(hào)強(qiáng)度增大。通過仿真軟件測(cè)量數(shù)據(jù)可知，由緩沖級(jí)輸出的正弦波振幅明顯高于由前端西勒振蕩電路直接輸出的信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于射極跟隨器，輸入阻抗比較高，輸出阻抗比較大，所以適合作緩沖極，同時(shí)提高帶負(fù)載能力。
三、電路調(diào)試與驗(yàn)收
根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)內(nèi)容與分析比較，要求學(xué)生獨(dú)立完成每個(gè)電路仿真設(shè)計(jì)，并將測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析已報(bào)告形式展現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析過程如下：（一）電容三點(diǎn)式振蕩仿真測(cè)試。仿真波形稍微有些失真，經(jīng)過計(jì)算，此振蕩電路的輸出振蕩頻率應(yīng)該為11MHz左右，但是實(shí)際仿真結(jié)果顯示為10.769MHz，與預(yù)期結(jié)果存在微小誤差。由分析可知，可能是極間電容的影響，因?yàn)樵韴D[7]中的C1、C2相對(duì)不是很大，極間電容影響就有點(diǎn)大了。除此之外，如果想增加振蕩頻率，就需要減小C1、C2，但是這樣又增加了極間電容的影響。電路的缺點(diǎn)：振蕩回路工作頻率的改變，若用調(diào)C1或C2實(shí)現(xiàn)時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。使振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高，且起振速度較慢。（二）克拉潑振蕩仿真測(cè)試。仿真克拉潑振蕩仿真電路并測(cè)試數(shù)據(jù)分析?？死瓭婋娐吩黾恿丝勺冃‰娙?，使得頻率調(diào)節(jié)比較方便，且極間電容的影響比較小，因?yàn)楦鶕?jù)電感、電容元器件計(jì)算，可得理想諧振頻率為15MHz左右，實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果頻率為15.19MHz。改進(jìn)后的電路波形比原電容三點(diǎn)式振蕩器穩(wěn)定度高了很多，這是因?yàn)榫w管一部分接入的形式與回路連接，接入系數(shù)p越小，耦合越弱。減弱了晶體管對(duì)回路的影響。同樣調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可知克拉潑振蕩特點(diǎn)：（1）振蕩頻率改變不影響反饋系數(shù)；（2）振蕩幅度比較穩(wěn)定；（3）可調(diào)節(jié)電路中的串聯(lián)電容，即可在一定范圍內(nèi)調(diào)整其振蕩頻率。（三）西勒振蕩仿真測(cè)試。仿真西勒振蕩仿真電路并測(cè)試數(shù)據(jù)分析。根據(jù)仿真電路中的電感、電容元件取值，理論計(jì)算諧振頻率為22MHz左右，實(shí)際仿真結(jié)果21.429MHz，相差不多，頻率結(jié)果可認(rèn)為近似相等。西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑相同，頻率可調(diào)節(jié)范圍相比克拉潑電路有擴(kuò)大，振蕩頻率可以較高，且波形較為穩(wěn)定。同樣調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可知西勒振蕩器特點(diǎn)：（1）振蕩幅度比較穩(wěn)定，起振速度有改進(jìn)；（2）振蕩頻率可以較高，做可變頻率振蕩器時(shí)其波段覆蓋系數(shù)較大，波段范圍內(nèi)輸出電壓幅度比較平穩(wěn)。（四）西勒改進(jìn)振蕩仿真測(cè)試。對(duì)改進(jìn)后的西勒電路進(jìn)行仿真測(cè)試如圖2所示。由示波器觀察數(shù)據(jù)可知，示波器A通道（幅度低的波形）表示直接由前端西勒振蕩電路產(chǎn)生輸出的正弦波，示波器B通道（幅度高的波形）表示經(jīng)過射極跟隨器緩沖級(jí)后再輸出的正弦信號(hào)。由示波器波形可知，經(jīng)過射極跟隨器的正弦波的信號(hào)幅度明顯增大，進(jìn)而能夠提高后端帶負(fù)載的能力。
四、結(jié)束語
利用仿真實(shí)驗(yàn)輔助硬件教學(xué)方式實(shí)施了很多年，通過仿真實(shí)驗(yàn)的靈活性，能夠方便地改進(jìn)電路，對(duì)于循序漸進(jìn)地引出知識(shí)點(diǎn)的講解和學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)，提供了良好的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，極大地彌補(bǔ)了課堂教學(xué)模式單一的弊端，更排除了硬件異常所帶來的影響，為以后的電路設(shè)計(jì)、參與競(jìng)賽及科研活動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
作者:張立立 馬國強(qiáng) 張振坤 劉軍 單位:東北大學(xué)
