冷 文

(天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,天津 300072)

“高頻電子線路”是電子信息類專業(yè)必修的學(xué)科基礎(chǔ)課[1],該課程教學(xué)過程中理論推導(dǎo)內(nèi)容多,介紹的原理知識(shí)復(fù)雜,是學(xué)習(xí)難度較高的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。而該課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)也突出了配套實(shí)驗(yàn)的重要性[2],目前“高頻電子線路”課程多采用基于實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),但是缺乏將多項(xiàng)理論知識(shí)融合在一起的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對(duì)這一問題,案例式教學(xué)是目前很多教改項(xiàng)目采用的解決方法之一[3-4],它具有綜合性強(qiáng)和案例客觀真實(shí)的特點(diǎn),對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)分析、解決問題能力極有益處[5-7]。

本文提出仿真式案例教學(xué)的背景是在完成高/低頻電子線路課程學(xué)習(xí)之后開設(shè)的電路仿真課程“電子線路機(jī)助分析”,該課程以仿真軟件Multisim為基礎(chǔ),介紹該軟件的各種分析方法以及虛擬設(shè)備的使用[8]。本文介紹的案例是“電子線路機(jī)助分析”課程的大作業(yè),更重要的是針對(duì)“高頻電子線路”課程的總結(jié)[9],即在高頻理論教學(xué)完成之后,借助計(jì)算機(jī)輔助分析方法,基于一個(gè)具體電路的分析將所學(xué)高頻理論知識(shí)進(jìn)行涵蓋和回顧[10]。

1 案例的選擇

根據(jù)案例式教學(xué)綜合性強(qiáng)和客觀真實(shí)的特點(diǎn),對(duì)于案例選擇標(biāo)準(zhǔn)的總結(jié)如下:①熟悉度強(qiáng),與學(xué)生學(xué)習(xí)/生活距離近;②覆蓋面廣,盡可能涵蓋案例所針對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容;③完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為學(xué)生完成案例以及后續(xù)的深入研究創(chuàng)造條件;④開放性強(qiáng),教學(xué)需要有足夠的調(diào)整空間,為學(xué)生修改案例內(nèi)容提供條件。

據(jù)此,本文選擇針對(duì)收音機(jī)電路的研究作為教學(xué)案例。雖然收音機(jī)早已不是當(dāng)代大學(xué)生日常使用的電子產(chǎn)品,但是根據(jù)上述案例選擇標(biāo)準(zhǔn),它具有一定的被選優(yōu)勢(shì):①收音機(jī)焊接是很多學(xué)校電子工藝實(shí)習(xí)內(nèi)容,學(xué)生對(duì)其工作原理有一定的了解;②收音機(jī)框架包含了對(duì)無線信號(hào)接收處理的完整過程,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高/低頻電子線路知識(shí)較大范圍的覆蓋;③本文所述案例是在Multisim平臺(tái)上開展的電路仿真分析,軟件所提供的分析方法和虛擬設(shè)備構(gòu)成了完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái);④本案例教學(xué)過程中,除對(duì)收音機(jī)基本功能的仿真驗(yàn)證之外,還可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助分析的優(yōu)勢(shì),將拆分電路、算法分析、信號(hào)源多元化構(gòu)成以及豐富的測(cè)試設(shè)備等真實(shí)實(shí)驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)用其中,為案例的開放性研究創(chuàng)造條件。

本案例與對(duì)應(yīng)課程關(guān)系描述如下:對(duì)于“高頻電子線路”課程,通過電路的驗(yàn)證仿真和調(diào)試,讓學(xué)生加深對(duì)選頻、混頻、中頻放大、低頻放大以及功率放大等教學(xué)內(nèi)容的理解,特別是將理論知識(shí)應(yīng)用到一個(gè)具體案例中,為學(xué)習(xí)一個(gè)完整電子系統(tǒng)提供非常好的實(shí)踐機(jī)會(huì);對(duì)于“電子線路機(jī)助分析”課程,在電路的仿真和調(diào)試過程中,學(xué)生將學(xué)習(xí)到多種分析方法以及各類虛擬設(shè)備在真實(shí)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況。

2 案例的教學(xué)內(nèi)容

為了與電子工藝實(shí)習(xí)的收音機(jī)保持一致,我們采用超外差收音機(jī)HX108電路為案例開展全面的分析[11-13]。根據(jù)軟件特點(diǎn),仿真時(shí)間會(huì)隨著電路復(fù)雜程度大幅度增加,在保證仿真精度前提下,為了提高仿真效率,將HX108電路分割為高頻和低頻兩部分,如圖1所示,并根據(jù)分析需要和軟件特點(diǎn)進(jìn)行了部分修改:①靈活的信號(hào)源設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)不同仿真分析目的而設(shè)計(jì)不同的信號(hào)源;②對(duì)于在Multisim中不存在的器件(如晶體管9013和9018)采用替代器件,對(duì)于中周器件根據(jù)其所起作用采用子電路方式進(jìn)行設(shè)計(jì),振蕩線圈采用LTF-1系列參數(shù)、中頻變壓器采用TTF-2系列參數(shù)構(gòu)造子電路模型;③在保證整體框架不變前提下,在一些細(xì)節(jié)處出于仿真目的進(jìn)行微調(diào)。

(a) 高頻+中頻信號(hào)處理部分

如圖1所示,兩個(gè)電路的劃分也對(duì)應(yīng)著下文介紹的電路拆分法:完整的電路中,在某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拆解就是將該節(jié)點(diǎn)后的電路用一個(gè)對(duì)應(yīng)的有效負(fù)載(如圖1(a)所示的RL1)來代替形成拆解電路的前部分,而拆解電路后部分的信號(hào)源根據(jù)分析問題的需要可以是拆解電路前部分的輸出波形,也可以是獨(dú)立的瞬態(tài)信號(hào)源或交流信號(hào)源。

以下介紹是根據(jù)信號(hào)流展開的案例教學(xué)內(nèi)容,主要包括對(duì)圖1電路中信號(hào)流在各個(gè)階段變化的驗(yàn)證以及通過電路拆分+分析的手段對(duì)信號(hào)變化的深入研究,一方面為學(xué)生展示“高頻電子線路”理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用效果,另一方面指導(dǎo)學(xué)生通過參與電路的調(diào)試加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

2.1 選頻+變頻電路

將圖1(a)的信號(hào)選頻電路部分,在節(jié)點(diǎn)2處斷開,去除變頻電路的影響,由R1、可調(diào)電容C1A(雙聯(lián)電容)和C1B(補(bǔ)償電容)以及變壓器T1的初極電感組成的諧振電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的頻率選擇,將圖1(a)中的信號(hào)源設(shè)定為一個(gè)交流電壓源,再開展交流分析,如圖2所示是根據(jù)參數(shù)掃描方法得到的不同C1A條件下在圖1(a)的節(jié)點(diǎn)1測(cè)量的幅頻特性曲線,可以看出C1A的頻率選擇效果。

圖2 不同電容C1A條件下具有選頻效果的幅頻特性曲線

將圖1(a)的變頻電路在節(jié)點(diǎn)9處與后續(xù)電路斷開,并添加對(duì)地電阻。將圖1(a)中的信號(hào)源設(shè)定為555 kHz/100 mV正弦信號(hào),調(diào)整雙聯(lián)電容C1A和C5A使諧振頻率和本地振蕩頻率分別對(duì)準(zhǔn)555 kHz和1020 kHz,其中諧振信號(hào)加到Q1的基極,本振信號(hào)加到Q1的發(fā)射極,利用晶體管的非線性特性實(shí)現(xiàn)諧振信號(hào)與本振信號(hào)的混頻,采用頻譜分析儀在節(jié)點(diǎn)9處查看混頻結(jié)果,如圖3(a)所示,圖中1對(duì)應(yīng)本地振蕩頻率,2對(duì)應(yīng)輸入的555 kHz信號(hào),3對(duì)應(yīng)本地振蕩信號(hào)和輸入信號(hào)的頻率差,即中頻465 kHz信號(hào)。在沒有拆分的圖1(a)原圖基礎(chǔ)上,重做上述實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖3(b),這兩個(gè)頻譜分布的比較可以看出第一中周的帶通濾波效果,即465 kHz中頻信號(hào)被選擇而其他頻譜分量被抑制的效果。

(a)混頻

2.2 中頻放大+AGC電路

中頻放大是收音機(jī)電路中的重要組成部分,它不僅要實(shí)現(xiàn)增益的提升,同時(shí)還要保證良好的通頻帶特性,對(duì)于這部分電路的驗(yàn)證可以在圖1(a)的基礎(chǔ)上通過電路拆分法單獨(dú)對(duì)中頻放大電路進(jìn)行分析,拆分后的電路如圖4所示。

圖4 單獨(dú)驗(yàn)證中頻放大功能的仿真電路

設(shè)置圖4交流信號(hào)源V1幅度=100 mV,分析每經(jīng)過一個(gè)中周(如圖4所示的節(jié)點(diǎn)2、18和21)的幅頻特性曲線如圖5所示,可以看出增益的提升,同時(shí)也可以看出通頻帶寬的保證。

(a) 第一中周

對(duì)于自動(dòng)增益控制(AGC)的理解,可以查看參考文獻(xiàn)[11]的相關(guān)描述(如圖6所示),它介紹了在輸入信號(hào)幅度大范圍變化條件下,輸出信號(hào)的變化范圍受AGC的影響而變小。在本文案例的驗(yàn)證中,將圖1(a)中信號(hào)源設(shè)計(jì)為正弦信號(hào),然后在一定范圍內(nèi)調(diào)整信號(hào)源幅度,同時(shí)測(cè)量輸出信號(hào)峰峰值的變化范圍。對(duì)于自動(dòng)增益控制能力的研究,可以通過調(diào)整圖1(a)中反饋電阻RF來實(shí)現(xiàn)。

圖6 參考文獻(xiàn)提供的AGC特性展示

2.3 檢波電路

對(duì)于檢波電路的分析,首先將圖1(a)的信號(hào)源設(shè)定為調(diào)幅源(載波555 kHz,調(diào)制信號(hào)頻率1 kHz),在節(jié)點(diǎn)19處通過示波器進(jìn)行顯示并保存數(shù)據(jù),在圖1(b)電路中將信號(hào)源設(shè)計(jì)為PWL信號(hào)源,其數(shù)據(jù)來自于圖1(a)的示波器輸出結(jié)果。在圖1(b)節(jié)點(diǎn)3和14處接入示波器,結(jié)果如圖7所示,其中1為包絡(luò)檢波結(jié)果,2為PWL信號(hào)源波形,可以看出存在失真現(xiàn)象,原因是檢波電路輸出阻抗與后續(xù)晶體管輸入阻抗不匹配?？梢栽诠?jié)點(diǎn)14處安裝失真分析儀,以調(diào)制信號(hào)頻率為基波頻率進(jìn)行失真的量化分析,還可以采用傅里葉分析法進(jìn)行更加全面深入的研究。

圖7 包絡(luò)檢波結(jié)果展示

2.4 低頻放大+功率放大電路

通過圖1(b)晶體管Q2實(shí)現(xiàn)的是二極管檢波結(jié)果的低頻信號(hào)放大,教學(xué)內(nèi)容屬于低頻電路范疇[14],通過在晶體管放大電路輸入和輸出端安裝示波器來驗(yàn)證低頻信號(hào)放大的效果。對(duì)于這個(gè)電路的深入了解,可以通過調(diào)整偏置電阻R3來改變直流工作點(diǎn)并影響信號(hào)放大結(jié)果,仿真方法包括直流工作點(diǎn)測(cè)量、輸入/輸出波形對(duì)比以及傅里葉分析等。

最后的功率放大電路屬于高頻電路范疇,涉及到輸入變壓器的電壓信號(hào)傳輸和分配、推挽功率放大器的信號(hào)放大以及輸出變壓器實(shí)現(xiàn)的信號(hào)合成等內(nèi)容。電壓波形的變化可以在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)安裝示波器進(jìn)行驗(yàn)證,而功率的變化用圖1(b)輸入節(jié)點(diǎn)12和輸出節(jié)點(diǎn)4處的功率測(cè)量進(jìn)行比較,主要體現(xiàn)的是電流變化,因此在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)加入CurrentProbe,然后用示波器進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖8所示,數(shù)值代表峰峰值。功率放大電路中兩個(gè)變壓器T1和T2的Multisim設(shè)置參數(shù)只有變壓比,這個(gè)參數(shù)影響著8 Ω負(fù)載電阻變換到功率放大電路輸入端的輸入阻抗,可以通過拆分電路法計(jì)算低頻放大電路的輸出阻抗以及功率放大電路的輸入阻抗,研究變壓器的變壓比參數(shù)對(duì)于阻抗匹配的影響,進(jìn)而影響到最終的功率放大。

(a) 輸入節(jié)點(diǎn)

3 針對(duì)案例的教學(xué)安排

案例設(shè)計(jì)離不開合理的教學(xué)安排[15],在“電子線路機(jī)助分析”課程開始,將收音機(jī)電路仿真作為本課程的大作業(yè)介紹給學(xué)生,簡(jiǎn)單描述收音機(jī)電路的整體框圖。由于學(xué)生已經(jīng)完成高/低頻電路的學(xué)習(xí),這個(gè)簡(jiǎn)介既是對(duì)已學(xué)知識(shí)的回顧,也是為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容提供一個(gè)明確而具體的學(xué)習(xí)/研究目標(biāo)。

“電子線路機(jī)助分析”教學(xué)是根據(jù)“軟件簡(jiǎn)介→器件+模型介紹→分析方法介紹→虛擬設(shè)備介紹→綜合案例分析”的順序開展的。針對(duì)本文的案例,在“器件+模型介紹”的教學(xué)中,增加針對(duì)多元化信號(hào)源的構(gòu)成以及中周子電路設(shè)計(jì)的介紹和練習(xí);在“分析方法介紹”的教學(xué)中,在案例電路拆解的基礎(chǔ)上,增加交流分析、傅里葉分析和失真分析等方法與分立電路相關(guān)知識(shí)的介紹和練習(xí);在“虛擬設(shè)備介紹”的教學(xué)中,示波器、波特圖儀、頻譜分析儀和失真分析儀等設(shè)備的介紹與案例的整體電路仿真練習(xí)相配合。在接近課程結(jié)束時(shí),學(xué)生以小組形式開展整體案例電路的仿真分析工作并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告和PPT總結(jié)演示,最后教師根據(jù)實(shí)踐報(bào)告和綜合演講效果打分。

將案例或拆解或整體地融入到教學(xué)過程中,使學(xué)生從始至終都在學(xué)習(xí)并且不斷深入地了解案例內(nèi)容,一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)于“高頻電子線路”理論知識(shí)的回顧以及具體應(yīng)用的體驗(yàn),另一方面也通過將“電子線路機(jī)助分析”中的各項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容真實(shí)并集中地應(yīng)用到一個(gè)具體案例分析設(shè)計(jì)上,鍛煉了學(xué)生使用電路仿真軟件開展設(shè)計(jì)調(diào)試的能力。

4 結(jié)語

針對(duì)“高頻電子線路”課程,收音機(jī)電路被選為案例開展教學(xué),該案例具有一定的知識(shí)覆蓋特性,同時(shí)又具有普遍性,大大縮短學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)與實(shí)際生活的距離。

案例與仿真軟件的結(jié)合,可以彌補(bǔ)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不容易實(shí)現(xiàn)如算法分析、電路拆分和多元化信號(hào)源合成等操作的不足;同時(shí)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用方面,虛擬設(shè)備的學(xué)習(xí)和應(yīng)用也為拓展相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)創(chuàng)造了一定的實(shí)驗(yàn)條件。

案例教學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合還可以突破課堂教學(xué)/實(shí)驗(yàn)的限制,充分發(fā)揮虛擬平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),學(xué)生在課余時(shí)間完成電路的仿真設(shè)計(jì)工作,時(shí)間更加充裕,可以加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí),提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣。