趣味性物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊心妍

摘 要 本文設(shè)計(jì)了一種關(guān)于電磁波幅度調(diào)制與解調(diào)的物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，采用正弦波振蕩器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，利用多組開關(guān)和可調(diào)電阻形成陣列，模擬電子琴產(chǎn)生音樂聲，解調(diào)部分經(jīng)過檢波放大并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。利用該裝置配合低成本的信號(hào)源和天線，在物理課程的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)電磁波調(diào)制和解調(diào)的工作原理，理解信號(hào)變換的全部過程，使實(shí)驗(yàn)具有良好的趣味性。

關(guān)鍵詞 調(diào)制與解調(diào) 物理教學(xué) 實(shí)驗(yàn)裝置 電子琴 趣味性

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.01.064

Interesting Physics Teaching Experiment Design

YANG Xinyan

（Chengdu No.7 Bayi School， Chengdu， Sichuan 610036）

Abstract This paper describes the design of a physics teaching experiment on electromagnetic wave amplitude modulation and demodulation device， using sine wave oscillator to generate a modulated signal， using a plurality of switch and adjustable resistor array， analog electronic piano music produced by the detection and amplification， demodulation drive loudspeaker sound. Using this device and low cost signal source and antenna in the electromagnetism experiment teaching of physics course， it is helpful for students to learn the working principle of electromagnetic wave modulation and demodulation， understand the whole process of signal transformation， and make the experiment interesting.

Keywords modulation and demodulation； physics teaching； experimental device； electronic organ； interesting

在物理學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容中，一些教學(xué)知識(shí)點(diǎn)理論比較抽象，教師若在結(jié)合教學(xué)實(shí)際基礎(chǔ)上，充分理解學(xué)生好奇心和求知欲，適當(dāng)開展趣味性實(shí)驗(yàn)，能激發(fā)學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)熱情，獲得意想不到的教學(xué)效果。[1]電磁波調(diào)制與解調(diào)是物理學(xué)重要知識(shí)點(diǎn)之一，開展實(shí)驗(yàn)需要用到示波器和信號(hào)發(fā)生器等貴重儀器，很多學(xué)校受經(jīng)濟(jì)條件所限，只能以低成本方案開設(shè)實(shí)驗(yàn)，而放棄了知識(shí)的完整性。[2-3]利用虛擬儀器也是節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本的方法之一，[4-5]另一類方法是開設(shè)演示實(shí)驗(yàn)，[6-7]但這些方法使學(xué)生失去了動(dòng)手體驗(yàn)的機(jī)會(huì)。本實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)電磁波幅度調(diào)制和解調(diào)，既解決了實(shí)驗(yàn)開設(shè)的成本問題，又使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)到音樂信息傳遞的完整過程，保證了物理實(shí)驗(yàn)的知識(shí)性和趣味性。

1 音頻信號(hào)的產(chǎn)生與發(fā)射

電磁波作為載波發(fā)射，是為了搭載和傳遞信息，將聲音或圖像信息調(diào)制在高頻等幅電磁波上發(fā)射出去，常用的調(diào)制方法有調(diào)頻和調(diào)幅。這里主要介紹音頻信號(hào)通過載波調(diào)幅發(fā)射的實(shí)現(xiàn)方法。

1.1 音頻信號(hào)發(fā)生器

幅度調(diào)制部分的音頻正弦波產(chǎn)生電路如圖1，其主體部分是由電阻、電容元件構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器，也稱為RC振蕩器，用來產(chǎn)生30Hz-3000Hz的音頻信號(hào)。可調(diào)電位器Wn串聯(lián)開關(guān)Kn形成多個(gè)調(diào)節(jié)支路，通過設(shè)置和調(diào)節(jié)每個(gè)支路的Wn值，改變各通路開關(guān)Kn閉合時(shí)的振蕩頻率，可產(chǎn)生一組共n個(gè)音頻振蕩頻率輸出，提供給幅度調(diào)制電路作為調(diào)制信號(hào)。

1.2 幅度調(diào)制器

調(diào)幅發(fā)射部分的實(shí)驗(yàn)框圖如圖2所示，使用易于購(gòu)買的低成本射頻信號(hào)源產(chǎn)生載波，[8]信號(hào)源的發(fā)射功率可達(dá)10mW，頻率設(shè)置為1GHz左右，發(fā)射天線選用符合頻率要求的普通天線。在信號(hào)源與發(fā)射天線之間插入信號(hào)調(diào)制器，獲得受音頻調(diào)制的載波幅度調(diào)制信號(hào)，并通過天線變成電磁波發(fā)射出去。信號(hào)調(diào)制器是實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分，利用音頻信號(hào)發(fā)生器振蕩，產(chǎn)生范圍在30～3000Hz可調(diào)的音頻調(diào)制信號(hào)，控制PIN二極管的正向電阻，形成幅度調(diào)制作用。普通二極管是由N型和P型雜質(zhì)摻雜的半導(dǎo)體材料直接構(gòu)成PN結(jié)，而PIN二極管是在N型和P型半導(dǎo)體材料之間加了一層薄的低摻雜本征半導(dǎo)體層。

PIN二極管有多種不同偏置方式，分別呈現(xiàn)不同工作狀態(tài)。在正向偏置方式時(shí)，即PIN二極管加正向電壓時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子會(huì)注入到I區(qū)并復(fù)合。電流I達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)注入載流子和復(fù)合載流子相等，本征半導(dǎo)體層因積累大量載流子而電阻下降，即PIN管正向偏置時(shí)呈低阻狀態(tài)。正向偏置電壓越高，注入I層的電流越大，載流子越多，其電阻越小，等效為一個(gè)0.1～10 之間小電阻。由于PIN管偏置電壓大小與電阻具有相關(guān)性，可以作為射頻開關(guān)和衰減器使用。作為射頻開關(guān)使用時(shí)，當(dāng)二極管正偏則射頻接通，當(dāng)二極管零偏或反偏則射頻斷開。作為串聯(lián)射頻衰減器使用時(shí)，二極管正向偏置電壓的不同大小，對(duì)應(yīng)為不同射頻衰減量。因此，將音頻信號(hào)引入作為正偏電壓，可以實(shí)現(xiàn)電磁波幅度調(diào)制。圖2中音頻輸入端通過電阻R和電感L實(shí)現(xiàn)正向偏置，伴隨音頻信號(hào)的幅度值變化，PIN管阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，信號(hào)源產(chǎn)生的載波幅度也發(fā)生改變，產(chǎn)生音頻調(diào)制后的載波。

2 音頻信號(hào)的接收與解調(diào)

搭載有音頻信號(hào)的電磁波載波，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息傳播。到達(dá)用戶端后，通過天線接收射頻電磁波，并通過解調(diào)電路還原出音頻信號(hào)。

2.1 接收與檢波電路

在電磁波接收部分，接收天線將電磁波變?yōu)楦哳l電流，進(jìn)入檢波二極管接收電路。檢波接收電路如圖3所示，為提高檢波效率并獲得盡量多的有用信號(hào)，應(yīng)選擇與載波頻率適合的檢波二極管。搭載信息的高頻載波信號(hào)經(jīng)天線接收后，輸入檢波二極管D，因?yàn)槎O管的單向?qū)ㄌ匦裕蛐盘?hào)得以通過，反向信號(hào)被二極管阻隔。通過二極管的信號(hào)，再經(jīng)過容量較大的電解電容C的旁路作用，濾除正向信號(hào)中的剩余載波，輸出只包含音頻信息成分的信號(hào)。

2.2 音頻放大電路

檢波二極管輸出的音頻信號(hào)幅度微弱，不足以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，甚至不能使功耗較小的耳機(jī)發(fā)聲。為實(shí)驗(yàn)方便，采用了音頻放大電路提升音頻功率，直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。放大電路如圖4所示，使用音頻集成功放電路LM386作為放大器，電位器W用以調(diào)節(jié)從檢波二極管輸出進(jìn)入放大器的音頻信號(hào)大小，從而達(dá)到控制揚(yáng)聲器音量的目的。調(diào)制信號(hào)的頻率處于人耳聽覺頻率范圍，聲音尖銳或低沉直接反映調(diào)制信號(hào)的頻率，聲音的大小還可以反映調(diào)制信號(hào)的幅度等參數(shù)。當(dāng)然，也可以用示波器監(jiān)測(cè)音頻信號(hào)，能準(zhǔn)確測(cè)量出更多調(diào)制參數(shù)。

3 趣味性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生預(yù)先設(shè)置音頻信號(hào)發(fā)生器各個(gè)開關(guān)支路的音調(diào)頻率，通過連續(xù)按動(dòng)琴鍵開關(guān)變換音調(diào)，模擬電子琴演奏出簡(jiǎn)短音樂聲。如表1所示，為以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)音A-la-440Hz為準(zhǔn)的七個(gè)音的頻率。

實(shí)驗(yàn)教師利用圖1正弦波振蕩器的開放接口，將電位器的調(diào)整功能引出。學(xué)生用面包板制作電子琴，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)音對(duì)應(yīng)一組可調(diào)電位器Wn和琴鍵開關(guān)Kn，形成至少七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)音，其中琴鍵開關(guān)用回形針或鈹青銅片制作，每一路開關(guān)串聯(lián)一個(gè)電位器，調(diào)節(jié)各支路電位器的阻值，用圖4的音頻檢測(cè)電路接收音樂聲，使喇叭中產(chǎn)生表1的頻率（可以配備價(jià)格低廉的樂器調(diào)音器以測(cè)量頻率）。然后，通過電子琴演奏出規(guī)定的簡(jiǎn)單樂曲聲音，如要求演奏：123112313453455654315654312。

4 結(jié)束語

將電子琴電路產(chǎn)生的音樂聲調(diào)制到高頻載波上，再通過電磁波發(fā)射和接收解調(diào)，還原出音樂聲。按此實(shí)驗(yàn)方法開展電磁波調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)幅度調(diào)制和解調(diào)的原理表達(dá)非常清晰，用聲音表達(dá)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象特別明顯，通過電磁波收發(fā)并成功傳遞樂曲聲的過程富有趣味性，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)知物理學(xué)知識(shí)十分有效。同時(shí)，利用成本低廉的器材制作音頻調(diào)制器和檢波放大裝置，可以代替昂貴的信號(hào)發(fā)生器、示波器等儀器，降低了物理實(shí)驗(yàn)開設(shè)的門檻，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推廣和普及。

參考文獻(xiàn)

[1] 王佩祥，喻秋山，黃志洋，等.偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的趣味性改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2016.36（2）：37-41.

[2] 李建英.物理低成本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐探討[J].忻州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012.28（2）：96-98.

[3] 謝桂英.自制低成本教具，提高初中物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014.34（4）：11-14.

[4] 王學(xué)嚴(yán)，張茹，張虎，等.大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)一體化設(shè)計(jì)與實(shí)例[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016.32（9）：124-127.

[5] 張秀敏.仿真實(shí)驗(yàn)室在初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015.22（11）：158-159.

[6] 李海寶.基于共享網(wǎng)絡(luò)空間的物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015.34（5）：177-181.

[7] 祁國(guó)良，曲勝艷，譚曉春，等.物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之管見[J].物理實(shí)驗(yàn)，2015.35（7）：19-22.

[8] 薛軍，潘高峰，謝勇.基于ADF4350的多頻段信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2011.41（11）：53-55.