“靜態(tài)工作點的穩(wěn)定”在教學中的課堂演示

張國禮 張安堂空軍工程大學 陜西西安 710051

?

“靜態(tài)工作點的穩(wěn)定”在教學中的課堂演示

張國禮 張安堂
空軍工程大學 陜西西安 710051

摘 要：在電子技術基礎課程中，“靜態(tài)工作點的穩(wěn)定”是教學的重點和難點，課堂上僅靠理論講解和軟件仿真還未達到非常理想的教學效果。針對此情況，分別從靜態(tài)和動態(tài)兩個角度，實物演示靜態(tài)工作點受環(huán)境溫度影響的情況。利用改裝的指針式萬用表指針的擺動角度，演示共射基本放大和分壓式偏置放大兩種電路靜態(tài)工作點的變化情況；利用基于VC的示波器信息采集軟件，演示由上述兩種電路放大后波形的變動情況。實踐表明，該方法形象、直觀，較大提高了學生學習興趣，有效提升了課堂教學效果。

關鍵詞：靜態(tài)工作點；課堂演示；USB串口通信；教學效果

電子技術基礎課程是電類專業(yè)的專業(yè)基礎必修課，其“靜態(tài)工作點（Q點）的穩(wěn)定”教學內容是課程教學的重點和難點［1-2］，比較抽象，不宜于學生理解掌握，僅靠理論講解和軟件仿真還未達到非常理想的教學效果。因此，非常有必要在課堂上配合開展實物演示教學。而傳統(tǒng)的實物演示，由于萬用表、示波器等設備顯示屏幕較小，起不到很好的視覺效果；“采集板卡+Labview”的虛擬演示教學［3-4］，由于對儀器儀表的控制均通過人機交互來實現(xiàn)，演示效果也未能達到真正實物演示的教學效果。針對這種情況，文中通過改裝的指針式萬用表以及基于VC的示波器信息采集軟件，重在解決視覺方面的不足，克服了顯示屏幕小、虛擬控制等問題，演示形象、直觀，易于學生參與操作，提高了課堂教學效果，培養(yǎng)了學生動手能力，也為其第一任職需要和職業(yè)技能提升打下了堅實的基礎。

1　實物演示方案

課堂演示作為一種教學手段，其目的是促進教學效果的提升。為盡可能提高演示的效果，其內容和切入理論授課的時機必須緊貼教學內容，真正融入課堂理論教學，使教學過程并不顯突兀。因此，演示方案需要在課堂設計中安排好。

1.1課堂設計

通過復習前面所學的小信號放大電路的靜態(tài)工作點以及靜態(tài)工作點的選取要合適等內容，引導學生發(fā)現(xiàn)靜態(tài)工作點的選取不僅要合適，而且要穩(wěn)定這么一個問題，引入本次課的教學內容。然后，分析引起靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的因素，找到環(huán)境溫度的變化是主要的、不能忽略的因素，并進行重點分析，在分析過程中尋求解決問題的措施與辦法。從定性和定量兩個角度，對比分析共射基本放大電路和分壓式偏置放大電路，得出在溫度變化時，共射基本放大電路不能穩(wěn)定靜態(tài)工作點，而分壓式偏置放大電路的靜態(tài)工作點基本穩(wěn)定的結論。理論教學內容的安排僅圍繞引導學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題展開。

1.2演示設計

從課堂設計可以看出，本次課的理論教學內容前后聯(lián)系緊密，環(huán)環(huán)相扣，不宜在中間穿插演示教學的內容。但宜于在理論教學結束后，由學生配合，對兩種電路的靜態(tài)工作點穩(wěn)定情況進行實物演示驗證。這樣一來，既驗證了相關結論，又提高了學生的學習興趣、培養(yǎng)了其動手操作的能力，并為后續(xù)動態(tài)指標的學習埋下了伏筆。

2　靜態(tài)演示

利用改裝后的指針式萬用表，分別觀察共射基本放大和分壓式偏置放大兩種電路的靜態(tài)工作點。在這種模式下，主要是觀察不同溫度下這兩種小信號放大電路的核心元件（三極管）集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE，通過萬用表指針的擺動情況，來說明這兩種電路的靜態(tài)工作點在環(huán)境溫度變化時的穩(wěn)定情況。

2.1示教板

如圖1所示，其右邊電路的上半部分是共射基本放大電路，下半部分是分壓式偏置放大電路。

圖1　示教板

2.2測量與顯示

改裝后的萬用表如圖2所示，用其電壓模塊分別測量常溫下兩種小信號放大電路的靜態(tài)工作點UCE，并記住指針擺動后的位置。

2.3改變環(huán)境溫度

用熱吹風同時、均勻地改變兩種小信號放大電路的環(huán)境溫度，再用萬用表觀察其靜態(tài)工作點UCE。與之前指針擺動的位置進行對比，發(fā)現(xiàn)不同溫度時，分壓式偏置放大電路的靜態(tài)工作點基本沒有變化，而共射基本放大電路的靜態(tài)工作點發(fā)生了較大變化，且UCE變小，說明其靜態(tài)工作點上移了。

圖2　改裝的萬用表

3　動態(tài)演示

利用示波器的兩個通道分別觀察共射基本放大和分壓式偏置放大兩種電路放大后的波形，通過波形的變化情況，說明這兩種電路的靜態(tài)工作點在環(huán)境溫度變化時的穩(wěn)定情況。

3.1示教板

演示用示教板如圖1所示，中間是一個小信號發(fā)生器，將其產(chǎn)生的微弱正弦信號，同時加到這兩種放大電路的輸入端。調整兩種放大電路的參數(shù)，使其放大后的信號幅值基本一致。

3.2跟蹤與顯示

為便于觀察，利用VC++軟件平臺［5-6］，通過示波器的USB串口［7-8］，把示波器屏幕的信息時時采集到電腦并投影到幕布上顯示出來。

3.2.1軟件原理框圖

為實現(xiàn)示波器數(shù)據(jù)的實時采集并顯示，在利用VC++軟件實現(xiàn)時，其程序設計流程如圖3所示。

圖3　原理框圖

3.2.2軟件關鍵程序

判斷示波器USB串口是否接通的代碼如下：

｛ char buf［256］=｛0｝；CString s，strTemp；char* stringTemp；

strTemp=”*IDN？”；

strTemp=strTemp+” ”；

stringTemp=（char*）（LPCTSTR）strTemp；viPrintf（viOscillo，stringTemp）；

viScanf（viOscillo，”%t ”，&buf）；

｝

在程序中，PC機與示波器進行通信由以下程序實現(xiàn)：

｛

viOpenDefaultRM （&defaultRM）；CString s，strTemp；char* stringTemp；viFindRsrc（defaultRM，”USB？*”，&list，&nmatche s，matches）；

viOpen（defaultRM，matches，VI_NULL，VI_ NULL，&vi）；

viFindNext（list，matches）；

viOpen（defaultRM，matches，VI_NULL，VI_ NULL，&vi1）；

｝

3.2.3軟件顯示界面

常溫下，用該軟件觀察到放大后的波形如圖4所示，上半部分是經(jīng)共射基本放大電路放大后的波形，下半部分是經(jīng)分壓式偏置放大電路放大后的波形。該軟件主要為了解決示波器顯示屏幕小，不便于觀察的問題，而不對示波器進行控制。

圖4　顯示界面

3.3改變環(huán)境溫度

同樣，利用熱吹風同時、均勻地改變示教板上兩個小信號放大電路的環(huán)境溫度，并通過幕布上投影出的圖像實時觀察波形變化情況（如圖5所示）。經(jīng)過幾秒鐘的時間，發(fā)現(xiàn)分壓式偏置放大電路的波形基本沒有變化，而共射基本放大電路的波形出現(xiàn)了飽和失真。同時也說明分壓式偏置放大電路的靜態(tài)工作點基本沒有變化，而共射基本放大電路的靜態(tài)工作點上移了。

圖5　改變溫度

4　結束語

本次課教學過程中的演示實驗，用改裝的萬用表和基于VC的信息采集軟件對演示現(xiàn)象進行放大顯示，實驗結果形象、直觀；用熱吹風直接改變電路的環(huán)境溫度，實驗過程真切、易于操作，大大提高了學生的學習興趣。多次實踐表明，課堂教學效果明顯改善。

參考文獻

［1］ 康華光.電子技術基礎［M］.第五版.北京:高等教育出版社，2007.

［2］ 秦曾煌.電工學［M］.第七版.北京:高等教育出版社，2009.

［3］ 蔣漪漣.基于LabVIEW電子信息類實驗教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術，2011，34（16）:152-154.

［4］ 唐輝平，彭良玉.基于LabVIEW的模擬電路實驗教學平臺設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2013，36（12）:145-147.

［5］ 陳維興，林小茶.C++面向對象程序設計教程［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［6］ 張忠?guī)?VC++2008專題應用程序開發(fā)實例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［7］ 張弘.USB接口設計［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［8］ 戴向華.USB原理及其在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用［J］.計算機工程與設計，2004，25（5）:840-843.

The Classroom Demonstration of Quiescent Point Stability

Zhang Guoli， Zhang Antang
Air Force Engineering University， Shaanxi Xi'an 710051， China

Abstract:In the course of Electronic Technology Fundamental， the quiescent point stability is hard to understand for students. Relying on explanation and simulation has not achieved very good teaching effect. In response， this paper adopts the method of classroom demonstration from the static and dynamic. In the common emitter amplifer circuit and the partial pressure type amplifer circuit， using the swing angle of a modifed pointer multimeter demos the chance of quiescent point. With these two circuits， using the software of oscilloscope information acquisition demos the chance of amplifed waveform. The practices indicate that the method is vivid and intuitive， and it can greatly improve students' learning interest and the effect of classroom teaching.

Key words:quiescent point； classroom demonstration； USB serial communication； teaching effect

收稿日期：2015-11-18

作者簡介：張國禮，碩士，講師。