基于頻譜分析的高頻電子實驗教學研究

摘要：高頻電子線路課程需要對多種信號進行頻率分析，為了增強學生感性認識，提高教學效果，利用頻譜分析儀對“高頻電子線路”實驗課程的教學內容進行了設計，首先優化了實驗步驟，加入頻譜分析內容，然后修改了實驗考核要求，激勵學生思考實驗現象。根據課堂效果得知，基于頻譜分析的實驗教學方法能夠幫助學生理解高頻信號頻域特點，提高實驗教學水平。

關鍵詞：頻譜分析；高頻電子線路；實驗教學

作者簡介：于效宇（1980-），男，黑龍江肇東人，電子科技大學中山學院，講師；劉艷（1980-），女，錫伯族，遼寧沈陽人，電子科技大學中山學院，講師。（廣東 中山 528400）

基金項目：本文系2011年電子科技大學中山學院質量工程建設（教學團隊）項目的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0141-02

“高頻電子線路”課程作為通信專業的專業基礎課，具有一定的難度和特殊性，[1，2]在課程講授過程需要對各種信號進行頻譜分析，如在調幅部分需要分析FM、DSB、SSB三種信號的頻譜區別，在丙類功率放大器需要分析失真信號的頻率成分等。而頻譜分析是信號與系統課程知識的應用和延伸，基礎一般的學生通過課堂講授和公式較難理解信號頻譜分析的目的意義。[3]

因此為了提高學生對于高頻信號頻譜特點的感性認識，在實驗課程中增加了頻譜分析的教學內容，與理論內容相呼應，幫助學生回溯信號與系統的知識，掌握高頻電子線路典型信號的頻譜特點，從而提高教學效果。

一、實驗課程內容整合和頻譜分析要求

為了提高實驗教學水平，更有效地幫助學生理解實驗內容，掌握高頻信號的頻譜特點，本學期的“高頻電子線路”實驗設備增加了頻譜分析儀，并根據實驗內容的改變修改了實驗大綱和實驗要求，具體情況如表1所示，與之前的實驗內容相比[4]，本學期實驗主要對以下兩個方面進行了修改：

第一，對“高頻電子線路”實驗課程內容進行整合，將原實驗2正弦波振蕩器和實驗3集電極調幅與大信號檢波合并為振蕩電路與調幅檢波，原實驗4環形混頻器和實驗5變容二極管調頻合并為環形混頻與直接調頻，原實驗1和實驗6保留。實驗整合的主要原因在于，原實驗2、3，原實驗4、5采用的實驗板和實驗設備基本相同，且實驗內容相關性較強。如原實驗2搭建的振蕩器可作為原實驗3集電極調幅電路的載波信號。為了提高學生對于實驗的整體性理解和認識，將實驗進行了整合。

第二，整合實驗并不是簡單地把實驗名稱和實驗內容合并，在實驗內容上也進行了梳理，在整個實驗過程中都增加了對信號頻譜的分析和解釋，幫助學生理解實驗。

表1 實驗內容及頻譜分析要求

序號題目實驗內容頻譜分析要求

一小信號放大器調整晶體管的靜態工作點；

測量放大器的諧振曲線；

計算諧振頻率處的電壓放大倍數，通頻帶BW0.7、BW0.1、矩形系數Kr0.1了解頻譜儀掃頻原理，觀測掃頻圖即信號放大器諧振曲線；

對輸入輸出信號進行頻譜測量，分析測量中的諧波失真現象

二振蕩電路與調幅檢波觀察振蕩狀態與晶體管工作狀態的關系；觀察反饋系數對振蕩器性能的影響；比較LC振蕩器和晶體振蕩器頻率穩定度；

調試集電極功率放大電路及調幅電路，測試動態調制特性， 記下不同的V?時的調幅系數ma，觀察檢波器的輸出波形測量并分析振蕩信號頻譜；

測量并分析調幅波信號頻譜；

測量功率放大電路各級信號頻譜，根據頻譜調試電路

三環形混頻與直接調頻觀察混頻器的輸出信號，觀察混頻器的鏡像干擾；

調試變容二極管調頻電路實驗，調頻信號解調實驗在示波器和頻譜分析儀上觀測鏡像干擾信號特點；

利用頻譜觀測調頻信號頻譜，分析與調幅信號頻譜的區別；

改變調制信號幅度、頻率，觀測調頻信號的頻譜變化；

觀測解調信號的頻譜，分析失真度

四模擬乘法器的應用AM，DSB調幅信號的產生；

同步檢波實驗；

鑒頻實驗；

混頻實驗觀測實驗中各輸入輸出信號的頻譜特點

二、教學方法改進

1.實驗現象的頻譜分析

“高頻電子線路”課程知識點較為分散，不利于學生學習理解，但是對高頻信號的分析卻貫穿課程始終。如果學生能夠掌握高頻典型信號的頻譜特點，能夠分析信號的頻譜構成，會給學習“高頻電子線路”課程帶來直接幫助。

針對此問題，設計了上述表1的頻譜分析要求。在實驗課程示范操作和講解過程中，注意對信號頻譜進行分析。以調幅信號AM和DSB為例，AM信號展開式如如式（1）所示，可見AM信號包含ωc、ωc+Ω和ωc+Ω三種頻率分量，為了能夠降低功耗，提高通信效率，可以去掉ωc即載波頻率，生成DSB調幅信號，如式（2）所示。

在理論授課過程中，學生可以掌握這兩種信號的推導過程，也了解AM和DSB調幅信號的頻譜構成，但是仍然對于AM、DSB的信號特點及根據信號特點的相關領域應用不清楚。通過實驗4模擬乘法器的應用可以調制和解調AM、DSB信號，通過頻譜儀對調制信號、載波信號、AM和DSB信號及解調信號的觀測，學生可以直觀了解各信號的頻譜特點，幫助鞏固理論知識。

2.實驗特殊現象的頻譜分析

實驗所用電路板是模擬電路，實驗電路元件老化和阻抗不匹配都會影響實驗完成，甚至無法完成實驗。以實驗1小信號諧振放大器為例，此實驗在測量諧振曲線下邊頻時，部分電路板會出現失真現象，其主要原因是高次諧波在電路板諧振頻率附近被放大造成的。[4]在以往的實驗授課中也對此現象進行解釋，但是效果一般。為了保證教學效果，本學期實驗利用頻譜儀的測量波形進行分析。

圖1是通過頻譜儀掃頻測得的小信號放大器諧振曲線，可見此調諧放大器的中心頻率約為10.7MHz。圖2是輸入的7MHz的信號，受信號發生器及電路板非線性的影響，有14MHz的諧波分量。圖3是輸出失真信號的頻譜圖，可見14MHz由于在放大器中心頻率的附近，因此諧波分量也被放大，與7MHz的基波混疊輸出，從而使輸出信號失真。

如此例所示，通過頻譜分析對實驗特殊現象進行了分析和解釋，能夠幫助學生理論聯系實際。某種程度上，學生能夠對一些實驗中出現的特殊現象進行分析，更能夠達到教學的目的。

3.實驗考核方法

與之前的考核方式相同，“高頻電子線路”實驗課程考核重視學生的實驗表現，采用問答式的考核方法評判學生。為了讓學生重視高頻信號的頻譜分析，在提問中增加了頻譜分析類問題的比例，按照學生的回答情況對學生進行評分，考核方法如表2所示。

三、結論

實驗課程的目的不是為了獲得漂亮的實驗數據，也不是機械地完成實驗，而是從實驗中了解實驗的理論基礎，鍛煉動手能力。將頻譜分析內容引入“高頻電子線路”實驗課程中，不僅沒有增加學生的負擔，反而幫助學生建立了頻域的概念，提高了學生的興趣。

近年來，一直對“高頻電子線路”課程進行教學改革，并且根據每屆學生的情況對教學內容進行微調。通過教學實踐證明，只要充分了解學生，讓學生體會到學習的樂趣，自然也會讓教師體會到教學的樂趣，從而提高教學效果。

參考文獻：

[1]于效宇，劉艷.高頻電子線路教學方法研究與改進[J].中國電力教育，2010，（30）：67-68.

[2]李士軍，宮鶴，徐艷蕾.“高頻電子線路”教學研究[J].長春理工大學學報，2012，7（8）：201-202.

[3]于效宇，劉艷.基于應用式教學的“高頻電子線路”學時改革[J].中國電力教育，2011，（32）：92.

[4]劉艷，于效宇.“高頻電子線路”實驗課程教學方法研究[J].中國電力教育，2012，（23）：81-82.

（責任編輯：劉輝）