謝曉霞

(國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

諧振是含有L、C參數(shù)的電路在一定條件下所呈現(xiàn)的一種特殊的電路現(xiàn)象[1]。它在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如接收機(jī)系統(tǒng)的中頻放大器、濾波電路、LC振蕩器等；另一方面，在配電網(wǎng)絡(luò)中電路諧振有可能引起電容器或電感器的擊穿，造成電網(wǎng)受損。因此深入研究諧振現(xiàn)象并加以利用或避免，對(duì)于電路設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用意義，也必然成為“電路”課程教學(xué)的重點(diǎn)。但諧振電路的特性、諧振曲線(xiàn)等概念十分抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)，往往覺(jué)得很難理解。筆者借助于虛擬儀器對(duì)諧振電路的特性進(jìn)行直接的實(shí)驗(yàn)演示，同時(shí)利用Multisim仿真軟件對(duì)收音機(jī)輸入回路中的選頻電路特性進(jìn)行仿真分析，使教學(xué)變得形象、直觀、有趣，取得了很好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)內(nèi)容的引入

我們?cè)诮虒W(xué)中，通過(guò)一個(gè)共振導(dǎo)致大橋垮塌的視頻演示，為學(xué)生生動(dòng)地呈現(xiàn)共振的威力，借此引入對(duì)電路諧振現(xiàn)象的介紹。然后我們通過(guò)虛擬儀器觀察真實(shí)的電路諧振現(xiàn)象，讓學(xué)生建立對(duì)電路諧振的直觀認(rèn)識(shí)。

1.1 共振的回顧

共振是諧振現(xiàn)象在物理系統(tǒng)中的體現(xiàn)，也是學(xué)生非常熟悉的物理現(xiàn)象。我們通過(guò)一段視頻錄像資料演示歷史上著名的美國(guó)Tacoma大橋因?yàn)楣舱穸鴮?dǎo)致的垮塌現(xiàn)象，利用共振帶來(lái)的讓人觸目驚心的后果激發(fā)大家對(duì)諧振規(guī)律探索的興趣。

1.2 電路諧振現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)演示

為了讓學(xué)生建立對(duì)電路諧振的直觀感受，我們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，運(yùn)用虛擬儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行采集分析，并投影到大屏幕上進(jìn)行教學(xué)演示。

1)虛擬儀器

虛擬儀器是一種便攜式測(cè)量設(shè)備(如圖1所示)，可以取代傳統(tǒng)的分離儀器(如示波器，頻譜分析儀，波形發(fā)生器，瞬態(tài)記錄儀，數(shù)字多用表等), 支持即插即用。它可將電路中產(chǎn)生的真實(shí)波形采樣處理和顯示，而且可以方便的與計(jì)算機(jī)連接，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯示。此外數(shù)據(jù)拷貝功能使測(cè)量值能方便地被外部程序所處理。

圖1 虛擬儀器HANDYSCOPE MODEL HS3

2)實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)電路由電感、電容串聯(lián)組成，等效為一個(gè)RLC串聯(lián)電路[2]。在實(shí)驗(yàn)電路上，外施正弦電壓源激勵(lì)(由信號(hào)源提供)。由虛擬示波器取兩路輸出電壓(電源電壓和電感兩端電壓)投影到大屏幕上進(jìn)行觀察(如圖2所示)。

圖2 諧振演示電路

實(shí)驗(yàn)中將信號(hào)源頻率逐漸由低調(diào)高，并保持信號(hào)幅值不變，在此過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電感上的電壓幅值逐漸由小變大，再由大變小，對(duì)應(yīng)某一個(gè)輸入頻率的信號(hào)出現(xiàn)峰值，此時(shí)，電感兩端電壓遠(yuǎn)大于電源兩端電壓(如圖3所示)，即出現(xiàn)了與共振現(xiàn)象類(lèi)似的小的激勵(lì)引發(fā)了大的響應(yīng)的諧振現(xiàn)象。

對(duì)比視頻演示的共振現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)觀察的電路諧振現(xiàn)象，讓學(xué)生尋找它們的共同點(diǎn)，體會(huì)共振以及電路諧振的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明諧振既可能帶來(lái)危害，也可以為人類(lèi)所利用，關(guān)鍵是要掌握諧振的規(guī)律，強(qiáng)調(diào)對(duì)電路諧振進(jìn)行學(xué)習(xí)研究的重要性。

圖3 虛擬示波器顯示結(jié)果

2 教學(xué)內(nèi)容的展開(kāi)

首先對(duì)上述串聯(lián)諧振電路進(jìn)行理論分析和仿真分析，然后由串聯(lián)改為并聯(lián)，對(duì)偶得出并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)。

2.1 串聯(lián)諧振電路的理論分析

串聯(lián)諧振電路的理論分析中，重點(diǎn)分析諧振條件、諧振時(shí)電路的特點(diǎn)以及電路的頻率特性，引出了電壓諧振以及品質(zhì)因素的概念。

2.2 串聯(lián)諧振電路的Multisim仿真分析

1) Multisim介紹

Multisim軟件是NI公司發(fā)布的交互式SPICE仿真和電路分析的軟件。它具有直觀的圖形界面，可以輕松設(shè)計(jì)電路。此外該軟件還具有豐富的元器件數(shù)據(jù)庫(kù)和大量的測(cè)試儀器，為電路分析和設(shè)計(jì)提供了良好的平臺(tái)。

2)仿真電路設(shè)計(jì)

以AM(調(diào)幅)收音機(jī)的調(diào)諧電路為例說(shuō)明串聯(lián)諧振電路的基本原理，并展示調(diào)諧電路的Multisim仿真結(jié)果，說(shuō)明諧振電路是如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇，以及諧振電路參數(shù)的改變對(duì)選頻特性的影響。圖4是AM收音機(jī)調(diào)諧電路的仿真電路，即一個(gè)RLC串聯(lián)電路，輸入正弦波信號(hào)。保持輸入信號(hào)幅值不變，改變信號(hào)頻率，得到輸出電流的幅頻特性曲線(xiàn)圖(見(jiàn)圖5)；改變電阻值，得到輸出電流的幅頻特性隨電阻而改變的關(guān)系圖(見(jiàn)圖6)；分別改變電感和電容值，得到對(duì)應(yīng)不同的電感和電容值時(shí)的電流幅頻特性曲線(xiàn)圖(見(jiàn)圖7，圖8)。

圖4 仿真電路

圖5 仿真電路中電流的幅頻特性

圖6 改變電阻值對(duì)電流幅頻特性的影響

圖7 改變電容值對(duì)電流幅頻特性的影響

圖8 改變電感值對(duì)電流幅頻特性的影響

3)仿真結(jié)果分析

2.3 并聯(lián)諧振電路的對(duì)偶分析

通過(guò)電路中的對(duì)偶關(guān)系，我們由串聯(lián)諧振電路的諧振條件、諧振頻率以及諧振電路的特點(diǎn)對(duì)偶地推出并聯(lián)諧振電路的所有對(duì)應(yīng)特性，讓學(xué)生形成知識(shí)的遷移。上述結(jié)果都可由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想并聯(lián)電路及諧振時(shí)應(yīng)有的波形并要求他們通過(guò)仿真得到相應(yīng)的結(jié)果。

3 教學(xué)內(nèi)容的拓展

為了提高學(xué)生的理論知識(shí)應(yīng)用能力。我們進(jìn)一步介紹RFID(射頻識(shí)別技術(shù))的基本原理以及諧振電路在其中的應(yīng)用。

3.1 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是一種無(wú)接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止的或移動(dòng)中的待識(shí)別物品的自動(dòng)機(jī)器識(shí)別。這在學(xué)生的實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用，比如門(mén)禁卡和食堂的飯卡等。它由四個(gè)部分組成(見(jiàn)圖9)，首先閱讀器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出一定頻率的射頻信號(hào)。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電壓從而獲得能量，為標(biāo)簽上的芯片供電，向閱讀器發(fā)送出自身編碼的信息，閱讀器采集信息并解碼，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行身份識(shí)別。

圖9 RFID系統(tǒng)的基本框圖

3.2 教學(xué)內(nèi)容的拓展

在這個(gè)系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的閱讀器前端和標(biāo)簽的前端都是由諧振電路構(gòu)成的，由它們完成了能量傳輸?shù)墓ぷ?，?shí)現(xiàn)了無(wú)接觸供電。我們給出RFID的等效電路(如圖10所示)，由學(xué)生分組討論在RFID系統(tǒng)中諧振電路(包括串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振)是如何發(fā)揮作用實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的無(wú)接觸識(shí)別的，然后布置學(xué)生課后通過(guò)仿真，驗(yàn)證分析的結(jié)論。

4 結(jié)語(yǔ)

我們?yōu)橹C振電路這一知識(shí)點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)課堂教

圖10 RFID的等效電路

學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)視頻、課堂實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示、仿真結(jié)果的分析以及實(shí)際應(yīng)用的介紹等有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，以豐富多彩的教學(xué)方法將晦澀難懂的理論問(wèn)題講解得生動(dòng)形象，取得了很好的教學(xué)效果，并奪得了當(dāng)年湖南省課堂教學(xué)競(jìng)賽電路組的第一名。