周 鋒

(復(fù)旦大學(xué) 微電子系， 上海 200433)

“高頻電子線路”理論課內(nèi)嵌實驗的探討

周 鋒

(復(fù)旦大學(xué) 微電子系， 上海 200433)

國內(nèi)大學(xué)的工程實踐性課程通常理論課和實驗課分開講授，時間跨度大，內(nèi)容不匹配，難以達到互相推動、互相促進的理想效果。在理論課講授過程中同步內(nèi)嵌實驗課是一種無需變動復(fù)雜的課程體系，而能顯著改善教學(xué)效果的方法。本文以“高頻電子線路”課程的教學(xué)實踐為例，探討了此類改革面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對方法。

高頻電子線路；理論課內(nèi)嵌實驗

0 引言

“高頻電子線路”是典型的既具理論深度，又有極強工程實踐性的課程。高校一般將理論課和實驗課分開在兩個學(xué)期，分設(shè)兩本教材，由兩位教師教授。學(xué)生在上理論課時，得不到實驗課的支持鞏固，往往基本概念模糊，理解不透，進而影響學(xué)習(xí)興趣；而下一學(xué)期實驗課的開設(shè)是建立在學(xué)生已掌握理論知識基礎(chǔ)上的，既便發(fā)現(xiàn)學(xué)生理論課沒有學(xué)透，限于課時，不可能將理論重新講一遍，實驗課效果大打折扣。如果遇上實驗課內(nèi)容和理論課內(nèi)容脫節(jié)，效果就更差。學(xué)生歷經(jīng)一年學(xué)完這兩門課后，基本上沒有具備獨立思考問題和解決問題的能力。有些院系定位寬口徑，課程較多，甚至沒有安排高頻實驗課。

筆者在講授“高頻電子線路”課程中，感受到了這一問題，認為理論課和實驗課必須相互配合，同步進展[1]。應(yīng)該在理論課講到某個基礎(chǔ)知識點時，立即配以實驗。這樣能同時提高理論和實驗的教學(xué)質(zhì)量，鍛煉學(xué)生聯(lián)系理論解決實際問題的能力。教授理論課的同時，內(nèi)嵌實驗，這樣就可以極低的改革復(fù)雜度達到顯著的改革效果。內(nèi)嵌在理論課中的實驗不是一門獨立的課程，無需太大的容量和教學(xué)資源支持，但需具備輕靈高效的特點。本文談一些筆者在這方面的實踐體會，和同行作一探討。

1 問題及其解決方案

1.1 師資和時間分配

講授“高頻電子線路”課程時，理論課和實驗課都由筆者一人擔(dān)任。這樣理論課和實驗課的內(nèi)容和進度可以很好地兼顧。實驗課中解決實際問題時能最大程度地結(jié)合課堂講授的內(nèi)容。

由于內(nèi)嵌在理論課內(nèi)進行，實驗課不可避免要擠占理論課的時間?？梢赃m當(dāng)壓縮一些課堂講授內(nèi)容。學(xué)生基礎(chǔ)打扎實了，很多內(nèi)容完全可以自學(xué)。筆者所在系的“高頻電子線路”每周5學(xué)時，一學(xué)期共16個教學(xué)周。經(jīng)實踐，一學(xué)期安排四到六次實驗，每次實驗占4/3個課時，是一個很好的平衡點。

1.2 考核方法

實驗課的考核本身不是件容易的事，加上這是內(nèi)嵌在理論課內(nèi)的，不可能安排足夠的教學(xué)資源來詳細評分。因此，考核不能太復(fù)雜，強調(diào)重在參與，激發(fā)學(xué)生的熱情；但又不能過于寬松，以免讓學(xué)生不予重視?？紤]到實驗考核結(jié)果必然以某種方式反映到理論課成績中，筆者使用這樣的標(biāo)準(zhǔn)：不計較完成速度、不追求指標(biāo)、不定量計入總分，但如果最終理論課想得到某一檔次以上的成績(比如B+)，則必須完整地做完四個實驗。這樣，學(xué)生做實驗時能不為分數(shù)所絆，專注于探索、思考、反復(fù)嘗試，真正鍛煉能力。實踐證明，學(xué)生參與熱情很高，幾乎全部完成了實驗。

2 實驗內(nèi)容

“高頻電子線路”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及的電路工作頻率范圍不超過30 MHz。傳統(tǒng)高頻實驗中電路一般工作在10 MHz左右。在當(dāng)今射頻技術(shù)的發(fā)展背景下，顯得不夠。筆者將實驗頻率定在88 MHz～108 MHz(以下簡稱100 MHz)，理由如下；①這個頻率范圍正好落在普通調(diào)頻收音機的接收范圍內(nèi)，可以直接利用收音機，簡化接收設(shè)備；②這個頻率范圍雖然高了些，但電路的概念仍然適用，實驗?zāi)芎芎玫睾屠碚摻虒W(xué)匹配；③這個頻率范圍內(nèi)，電路中的電感一般在100 nH左右，可以用粗漆包線(如直徑0.7 mm)制成直徑5 mm的空心線圈(5圈左右)，機械強度高，不需支架，制作、焊接簡單。10 MHz電路中的電感需要細漆包線在很小的磁芯材料上繞十多圈，另配支架；④這個頻率下分布參數(shù)的影響還不算太嚴重。只要設(shè)計得當(dāng)，廉價的印制板和易于焊接的分立電阻、電容(非貼片)都能勝任，晶體管也不昂貴；⑤當(dāng)今學(xué)生用示波器正好能達到這個頻率。

實驗內(nèi)容非常關(guān)鍵，決定實驗課的成敗。實驗內(nèi)容需要和理論課同步，涵蓋整門課程的基本知識點，由于時間、空間有限，不能過于繁瑣。同時，還有很重要的一點(往往被忽略)：內(nèi)容要有趣。實驗結(jié)果最好具有實用性，例如是一個有一定功能的玩具，而不是一堆測量數(shù)據(jù)。學(xué)生可以在課程結(jié)束以后繼續(xù)把玩，不斷從中學(xué)到新的知識。以筆者最近一個學(xué)期安排為例，共設(shè)四次實驗，全部由學(xué)生自己動手焊接組裝，完成電路調(diào)試全過程。第一次是一個LC選頻網(wǎng)絡(luò)，以鞏固這個貫穿整個課程的最基本的概念；第二次利用第一次的LC選頻網(wǎng)絡(luò)加上晶體管電路構(gòu)成一個小信號頻帶放大電路；第三次在第二次的電路之前加上一個壓控振蕩器，前次的放大電路正好作為其輸出放大；第四次將第三次的振蕩器的頻率控制信號換成話筒輸出信號。這樣，每次實驗都有獨立的概念和測試要求，又充分利用前次實驗的結(jié)果，到學(xué)期結(jié)束時，學(xué)生手上就有一個完整的FM送話器，可以用普通調(diào)頻收音機接收，很有成就感。課程結(jié)束后，學(xué)生可以帶走他們的成果。在今后把玩的過程中，他們還可以體會到系統(tǒng)可靠性、分布參數(shù)影響、電源電壓變化影響、互調(diào)干擾等概念。這些概念單純靠課堂講解不容易深刻理解。

2.1 實驗設(shè)備

實驗需要數(shù)量較多的實驗設(shè)備，有時僅實驗設(shè)備的價格就能決定一門實驗課能否開得出來。100 MHz正弦波信號源雖然可以買現(xiàn)成的，但完全可以自制。選取一個壓控振蕩器電路，利用可調(diào)電阻器產(chǎn)生控制電壓，調(diào)整頻率。頻率范圍覆蓋88 MHz～108 MHz。輸出電壓基本固定。這樣一個信號源成本20元左右，實驗中已夠用。

實驗結(jié)果用示波器來展示。雖然示波器可以顯示100 MHz波形，但其配套的探頭線的分布參數(shù)影響已不可忽略。特別是當(dāng)兩路探頭同時使用時，互相之間的干擾已導(dǎo)致無法確定真實信號的波形，所以必須自行設(shè)計測試電纜方案。筆者的方案如圖1所示。兩段長約100 mm的50 Ω電纜線，示波器側(cè)用SMA-BNC轉(zhuǎn)換頭轉(zhuǎn)接，電路板側(cè)用SMA連接。示波器的輸入電容為15 pF，在100 MHz下輸入阻抗僅為106 Ω，遠小于其并聯(lián)輸入電阻1 MΩ，以下僅考慮示波器輸入電容。經(jīng)測試推算可知，電纜在電路板側(cè)的輸入電容為30 pF，電壓信號從電路板側(cè)傳到示波器側(cè)會增大至1.24倍。由于被測電路屬于高輸出阻抗電路，電纜串接一個3 p電容(在實驗電路板上)后和被測電路相連，等效于示波器的×10檔，增大示波器輸入阻抗。雖然示波器內(nèi)的探頭補償電路與這個電纜方案并不匹配，會帶來些許測試誤差，但從本實驗的目的來看，可以接受。

圖1 100 MHz示波器測試電纜方案

2.2 實驗電路

1)LC諧振回路

LC諧振網(wǎng)絡(luò)的實驗電路如圖2所示，其中電阻值1 KΩ，和LC回路等效并聯(lián)電阻值相當(dāng)[2]。從信號源和諧振回路端各拉出一個測試端口分別作為輸入和輸出端口，在示波器上顯示。調(diào)整信號源的頻率，可以看到輸出信號相對于輸入信號的相移和幅度變化。當(dāng)輸入、輸出同相時，輸出信號幅度達到最大值。調(diào)整LC網(wǎng)絡(luò)的電感線圈(拉伸或壓縮)使諧振頻率落在88 MHz～108 MHz以內(nèi)。記錄諧振時輸入輸出信號幅度，據(jù)此計算LC諧振回路等效并聯(lián)電阻值。讓學(xué)生明白為什么不能用普通萬用表中的電阻檔來測這個等效電阻。

2)小信號頻帶放大電路

實驗電路圖如圖3中(c)段所示，在1)實驗的基礎(chǔ)上拆除1 KΩ電阻，增加一個三極管及其偏置電路，諧振回路兩端并聯(lián)一個1 KΩ的電阻，適當(dāng)降低增益，提高穩(wěn)定性[3]。實驗前理論課上先讓學(xué)生查閱三極管的特征頻率，測試三極管的直流放大倍數(shù)，計算其交流小信號參數(shù)，結(jié)合1)實驗計算出的LC回路等效并聯(lián)電阻值，估計放大器增益。實驗時與實測增益比較。

3)壓控振蕩器

實驗電路圖如圖3中(b)段所示。實驗前理論課上先計算起振條件，依較寬松的起振條件的原則定下元器件參數(shù)，這樣只要裝配無誤都能起振。這時，2)實驗中的放大器充當(dāng)此壓控振蕩器的后級放大，其輸出用以觀察振蕩信號。實驗時改變控制電壓，可以看到振蕩頻率的變化。

4)FM送話器

在實驗3)的控制電壓處接上一個駐極體話筒和一個負載電阻，如圖3中(a)段所示；在后級放大器的輸出端接上一段約1米長的電線充當(dāng)天線；用電池換下直流電源。在話筒輸出端的靜態(tài)工作點下調(diào)整振蕩器的中心頻率。開啟調(diào)頻收音機驗證送話器。

圖2 LC諧振電路實驗 圖3 FM送話器實驗

3 結(jié)語

經(jīng)過實踐，總結(jié)這種理論課內(nèi)嵌實驗的授課模式體會如下。

(1)師生之間的互動關(guān)系更密切了。

(2)學(xué)生參與實驗的積極性很高，態(tài)度也很認真。這是一個很好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的切入點。

(3)理論課教師和實驗課教師最好為同一人。這就對教師提出了更高的要求；在實驗方案的預(yù)研、實驗器材的準(zhǔn)備、印刷線路板的設(shè)計、臨場指導(dǎo)等方面都要花費大量精力，若能教學(xué)生焊接則更好。這樣才能保證學(xué)生能在很短的時間內(nèi)順利完成實驗，保持對實驗課的興趣。同時，教師自身也會在這樣的教學(xué)過程中受益，提高教學(xué)質(zhì)量。

[1] 陳松，郭云林，潘理，張國云. “高頻電子線路”課程的教學(xué)模式探索[J]. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013,35,(2):47-48

[2] 胡翔駿. 電路分析(第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007年1月

[3] 鈴木雅臣. 晶體管電路設(shè)計(下)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004年9 月

Discussion about the Embedding of Experiements in Theory Teaching Based on Hign Frequency Circuits Course

ZHOU Feng

(DepartmentofMicro-electronics，F(xiàn)udanUniversity,Shanghai200433,China)

Theory lessons and its corresponding experimental ones are usually seperated. They are arranged in different semesters, and their contents are not always matched. As a result, it would be so difficult to make them support each other to reach satisfying teaching effects. To embed experimental lessons in the theory lessons is an effective way to change the status. Based on the teaching practice of High Frequency Circuits course, this paper discusses the challenges and strategies of such kind of course reforms.

high frequecny circuits; embedded experiements in theory lessons

2015-08-24;

2015-11- 09

周 鋒(1966-)，男，博士，副教授，主要從事集成電路設(shè)計、電子類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)工作，E-mail: fengzhou@fudan.edu.cn

TN710

A

1008-0686(2016)03-0001-03