通信課程實驗案例教學(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)注到各知識點之間的關(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)出后面的知識點。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量數(shù)據(jù)的變化，與理論知識相互驗證，讓學(xué)生深入理解其改進(jìn)原理并能夠獨立完成仿真分析，整體實驗效果良好?；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)計要求
振蕩器內(nèi)容設(shè)計，是《通信電子線路》課程中，接收機系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)學(xué)生所學(xué)知識，設(shè)計了系列相關(guān)實驗，通過由淺入深的實驗內(nèi)容與相應(yīng)的實驗現(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)。實驗內(nèi)容深入探討了三點式振蕩器設(shè)計及其改進(jìn)電路原理現(xiàn)象的分析，鞏固了學(xué)生的知識，適合于所有學(xué)生學(xué)習(xí)。總體任務(wù)：利用Multisim仿真軟件，采用教材上的原理知識，選擇三點式振蕩器、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和改進(jìn)方法。基本內(nèi)容：（1）理解三點式振蕩器的振幅平衡條件，相位平衡條件；（2）在Multisim中對電容三點式振蕩器進(jìn)行簡單的設(shè)計，分析電路特性；（3）仿真克拉潑電路，對比電容三點式電路進(jìn)行性能分析；（4）仿真西勒電路，對比電容三點式電路進(jìn)行性能分析；擴(kuò)展內(nèi)容：（1）對每種振蕩器進(jìn)行分析，通過循序漸進(jìn)改變電路方式加深對振蕩器電路的理解；（2）分析改進(jìn)電路對電路性能的影響；（3）增加射極跟隨器，增強帶負(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→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，分別針對電容三點式振蕩器、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)載能力和輸出信號幅度，對西勒電路進(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，如圖1所示。圖1為帶有射極跟隨器作為輸出緩沖級的西勒改進(jìn)振蕩電路。由射極跟隨器特點可知，射極跟隨器的輸出信號和輸入信號同相，保證了信號相位不會發(fā)生變化，只是信號強度增大。通過仿真軟件測量數(shù)據(jù)可知，由緩沖級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強度。對于射極跟隨器，輸入阻抗比較高，輸出阻抗比較大，所以適合作緩沖極，同時提高帶負(fù)載能力。
三、電路調(diào)試與驗收
根據(jù)以上電路設(shè)計內(nèi)容與分析比較，要求學(xué)生獨立完成每個電路仿真設(shè)計，并將測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析已報告形式展現(xiàn)。實驗結(jié)果及分析過程如下：（一）電容三點式振蕩仿真測試。仿真波形稍微有些失真，經(jīng)過計算，此振蕩電路的輸出振蕩頻率應(yīng)該為11MHz左右，但是實際仿真結(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，因為原理圖[7]中的C1、C2相對不是很大，極間電容影響就有點大了。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：振蕩回路工作頻率的改變，若用調(diào)C1或C2實現(xiàn)時，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）克拉潑振蕩仿真測試。仿真克拉潑振蕩仿真電路并測試數(shù)據(jù)分析。克拉潑電路增加了可變小電容，使得頻率調(diào)節(jié)比較方便，且極間電容的影響比較小，因為根據(jù)電感、電容元器件計算，可得理想諧振頻率為15MHz左右，實際仿真實驗結(jié)果頻率為15.19MHz。改進(jìn)后的電路波形比原電容三點式振蕩器穩(wěn)定度高了很多，這是因為晶體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：（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）西勒振蕩仿真測試。仿真西勒振蕩仿真電路并測試數(shù)據(jù)分析。根據(jù)仿真電路中的電感、電容元件取值，理論計算諧振頻率為22MHz左右，實際仿真結(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：（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)振蕩仿真測試。對改進(jìn)后的西勒電路進(jìn)行仿真測試如圖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后再輸出的正弦信號。由示波器波形可知，經(jīng)過射極跟隨器的正弦波的信號幅度明顯增大，進(jìn)而能夠提高后端帶負(fù)載的能力。
四、結(jié)束語
利用仿真實驗輔助硬件教學(xué)方式實施了很多年，通過仿真實驗的靈活性，能夠方便地改進(jìn)電路，對于循序漸進(jìn)地引出知識點的講解和學(xué)生獨立設(shè)計，提供了良好的創(chuàng)新實踐平臺，極大地彌補了課堂教學(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、參與競賽及科研活動打下堅實的基礎(chǔ)。
作者:張立立 馬國強 張振坤 劉軍 單位:東北大學(xué)
