高頻電路綜合創(chuàng)新實驗平臺研究

梁麗芳，滕君華，齊國清

（大連海事大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026）

新工科建設(shè)對培養(yǎng)具有工程實踐能力的創(chuàng)新型人才提出了很高的要求，迫切需要高等教育進(jìn)行變革和創(chuàng)新，加強(qiáng)對工程人才的培養(yǎng)[1-2]。高頻電子線路作為電子信息類專業(yè)一門理論性、工程性和實踐性很強(qiáng)的課程[3-4]，實驗教學(xué)的改革勢在必行。國內(nèi)一些高校高頻電路實驗教學(xué)采用實驗板或?qū)嶒炏溟_展驗證性實驗[5]，由于缺乏設(shè)計性和探索性實驗，部分高校將虛擬仿真軟件引入高頻電路實驗教學(xué)中，雖然克服了一些硬件實驗的局限性[6-7]，但是工程性和實踐性略顯不足。極個別廠家開發(fā)了以驗證性為主、設(shè)計性為輔的高頻實驗系統(tǒng)，但實用性差強(qiáng)人意。不論是研制還是購買新的設(shè)計型實驗平臺都需要報廢舊的實驗平臺，會產(chǎn)生大量的垃圾，并存在嚴(yán)重的資源浪費[8]。因此，如何能在有效利用舊資源的前提下，進(jìn)行低成本改造，實現(xiàn)具有綜合性和設(shè)計性的高頻電路實驗，就有了研究和探索的必要。本文針對積木式高頻電路實驗箱進(jìn)行改造，建立高頻電路綜合創(chuàng)新實驗平臺，為學(xué)生自主創(chuàng)新和主動探索提供了可行方案。

1 綜合創(chuàng)新平臺建設(shè)方案

1.1 建設(shè)思路

隨著實驗教學(xué)的發(fā)展，實驗項目逐步趨近工程實際項目[9-10]。傳統(tǒng)高頻電路實驗箱普遍由若干個模塊構(gòu)成調(diào)頻或調(diào)幅收發(fā)信機(jī)等綜合系統(tǒng)[11]，本身就是一個完整的工程實際應(yīng)用場景，工程難點主要體現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計、單元電路的級聯(lián)方法、級間匹配和降低級間干擾等方面，然而這些難點都由設(shè)備產(chǎn)商解決了，學(xué)生體會不到高頻電路的精髓部分。

因此，本文提出充分利用實驗箱的工程應(yīng)用場景，為其設(shè)計一款低成本、具有同等特征的擴(kuò)展模塊，將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計型實驗平臺，通過利用實驗箱的模塊化特征來簡化設(shè)計過程，降低學(xué)生綜合設(shè)計與創(chuàng)新的難度。學(xué)生在擴(kuò)展模塊上自行設(shè)計的電路模塊可以替換實驗箱上的一個或幾個模塊，與其他既有模塊一起組成通信系統(tǒng)。將現(xiàn)有實驗箱各個模塊的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為學(xué)生設(shè)計模塊的設(shè)計指標(biāo)，所設(shè)計模塊與其他現(xiàn)有模塊級聯(lián)，可以檢驗其是否滿足系統(tǒng)要求，這樣實驗箱成為檢驗平臺，各功能電路可以模塊化獨立開發(fā)、單獨檢驗。一個學(xué)生設(shè)計多個模塊或多個學(xué)生各設(shè)計一個模塊最后級聯(lián)成系統(tǒng)，聯(lián)合調(diào)試，解決系統(tǒng)級問題，有助于提高學(xué)生電路設(shè)計與實現(xiàn)以及解決工程實際問題的能力。

1.2 通用擴(kuò)展模塊設(shè)計

如圖1 所示，擴(kuò)展模塊與既有模塊大小一致，左右兩側(cè)采用排母將實驗箱的電源和地接入，并保持同樣的積木式插拔方式；提供外部電源的輸入插孔使其不依賴于實驗箱也可以獨立使用；在電源接入處設(shè)計濾波電路以提高電路穩(wěn)定性。

因?qū)W生焊接質(zhì)量對實驗效果和效率的影響比較大，為降低焊接復(fù)雜度和盡量減少導(dǎo)線數(shù)量和長度，減小高頻電路受分布參數(shù)的影響，因此電路設(shè)計區(qū)設(shè)計為“橫向絕緣縱向?qū)ā钡? 行N列的三段式過孔矩陣。每行/每列過孔與過孔間隔設(shè)置為國際標(biāo)準(zhǔn)的2.54 mm，過孔孔徑設(shè)置為0.762 mm，適合大部分直插元器件使用。為適用于芯片等特殊直插元器件，將第2 段與第3 段過孔矩陣之間間隔設(shè)計為缺省2 行過孔。考慮到電路元器件需要頻繁地與電源和地相連，在電路設(shè)計區(qū)上方和下方分別提供常用電源、地和非常用電源、地的過孔行，方便連接。

為方便與其他模塊級聯(lián)和測試，在底部兩側(cè)規(guī)劃出信號輸入?yún)^(qū)和信號輸出區(qū)，分別包括過孔、插孔和測試端子。考慮到易用性，電路板絲印層標(biāo)注電源和輸入輸出等提示字母。為使學(xué)生設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)清晰美觀，采用雙面鋪銅工藝，將元器件布局在正面，導(dǎo)線、引腳等焊接在背面。

圖1 通用擴(kuò)展模塊PCB

2 建設(shè)方案可行性驗證

以下選擇調(diào)幅發(fā)信機(jī)的設(shè)計為例進(jìn)行介紹。圖2為調(diào)幅發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 調(diào)幅發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 實例仿真設(shè)計

調(diào)幅發(fā)射機(jī)由高頻振蕩、調(diào)制器、功率放大器和調(diào)制信號組成[12]。按照實驗箱指標(biāo)設(shè)計，載波頻率fc為10.7 MHz。設(shè)計的調(diào)幅發(fā)信機(jī)仿真電路見圖3。高頻振蕩部分采用改進(jìn)型電容反饋振蕩器，調(diào)制部分采用集電極調(diào)幅電路。由于集電極調(diào)幅電路在完成調(diào)制的同時也完成了功率放大的作用，因此在設(shè)計電路時省去了高頻功率放大器[12]。在高頻振蕩電路與集電極調(diào)幅電路之間加入了射級跟隨器，以隔離前后級之間的干擾。各部分的仿真輸出波形見圖4 和圖5。

圖4 調(diào)幅發(fā)信機(jī)振蕩部分輸出波形

圖5 調(diào)幅發(fā)信機(jī)調(diào)制部分輸出波形

由圖 4 可計算出振蕩波形的周期T=T2-T1=93.567 ns，振蕩頻率≈ 10.7 MHz，振蕩波形穩(wěn)定。

由圖5 可看出已調(diào)信號的包絡(luò)反映了調(diào)制信號的變化。

2.2 實例實物測試

利用擴(kuò)展模塊分別對高頻振蕩模塊、集電極調(diào)幅模塊進(jìn)行實物焊接。元器件布局時，導(dǎo)線遵循最短和直線原則，電源和地的接入遵循最近原則，通過減少導(dǎo)線的使用提高電路的穩(wěn)定性。擴(kuò)展模塊上焊接的模塊正面和背面分別見圖6 和圖7，可以看出電路布局清晰、焊接簡單。兩模塊單獨測試通過后，分別與既有模塊級聯(lián)成系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。所設(shè)計的兩模塊一起替換既有模塊級聯(lián)后的調(diào)幅發(fā)信機(jī)實際測試環(huán)境見圖8。

圖6 集電極調(diào)幅電路實物正面

圖7 集電極調(diào)幅電路實物背面

圖8 中，調(diào)制信號由既有模塊1（低頻信號源）提供，自行設(shè)計的模塊2（高頻振蕩電路）為自行設(shè)計的模塊3（集電極調(diào)幅電路）提供未調(diào)載波。示波器同時觀察調(diào)制信號和已調(diào)信號。從圖8 中示波器屏幕上的波形可以看出，已調(diào)信號（上）的包絡(luò)很好地反映了調(diào)制信號（下）的變化，已調(diào)信號波形穩(wěn)定，與仿真結(jié)果一致。

3 在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

教師根據(jù)實驗箱給出幾個綜合系統(tǒng)的設(shè)計性題目供學(xué)生選擇，比如調(diào)頻發(fā)信機(jī)和收信機(jī)、調(diào)幅發(fā)信機(jī)和收信機(jī)。教師給出各項設(shè)計指標(biāo)，學(xué)生可以做一個或幾個系統(tǒng)實驗。實驗過程靈活自由，既可開展不同學(xué)時數(shù)的高頻實驗實踐課，也可支持分層次培養(yǎng)。

學(xué)生2～3 人一組，選定題目后，根據(jù)通信系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)框圖的特征，采用項目式模塊化教學(xué)模式，每次實驗利用擴(kuò)展模塊設(shè)計一個模塊，學(xué)生可以分階段設(shè)計完成所需各模塊，教師分階段驗收，最后在實驗箱平臺上級聯(lián)成系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。通過這種模式，學(xué)生可以經(jīng)歷從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、各模塊設(shè)計、仿真驗證、實物制作、各模塊測試到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)一個完整的高頻硬件系統(tǒng)開發(fā)的工程化訓(xùn)練過程。

實驗室采用開放式管理。將課內(nèi)課外相結(jié)合，課外學(xué)生按照設(shè)計指標(biāo)完成電路設(shè)計和仿真，課內(nèi)完成元器件布局、實物焊接、測試和系統(tǒng)連調(diào)等。因擴(kuò)展模塊便于攜帶，在學(xué)校允許的條件下，元器件布局和實物焊接也可以在課外完成，在實驗室只需進(jìn)行模塊測試和級聯(lián)測試，實驗過程不再受時間和空間的限制。

另外，可采用學(xué)生設(shè)計的性能完善的模塊替換實驗箱損壞的模塊，反復(fù)迭代，自我完善，以大大降低實驗平臺的維護(hù)工作量。在本專業(yè)其他課程設(shè)計時,教師還可提供一些與該實驗平臺關(guān)聯(lián)的課題供學(xué)生選擇，比如射頻天線課程設(shè)計中增加為收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計滿足一定指標(biāo)要求的收發(fā)天線和射頻前端處理等題目。擴(kuò)展模塊設(shè)計以及設(shè)計時留出相連的接口，為多門課程的融合提供了可能。教師還可以將學(xué)生設(shè)計的擴(kuò)展功能中的優(yōu)秀作品用來豐富創(chuàng)新平臺，并鼓勵學(xué)生借助擴(kuò)展模塊在實驗箱框架內(nèi)搭建新的通信系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文緊跟實驗教學(xué)發(fā)展趨勢，通過對傳統(tǒng)的實驗箱進(jìn)行低成本改造，建立了可以工程化訓(xùn)練的高頻電路綜合創(chuàng)新實驗平臺，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃犹骄俊⒐こ添椖块_發(fā)模式貫穿實驗教學(xué)過程，開放式的教學(xué)管理模式可以緩解實驗室場地緊張和排課困難的問題。實驗平臺可由學(xué)生自我完善、自我發(fā)展，教師有了更多精力用于指導(dǎo)和提高自身能力，進(jìn)而更好地服務(wù)學(xué)生。這種合作、開放、探索、創(chuàng)新的實驗教學(xué)模式，有利于培養(yǎng)滿足行業(yè)發(fā)展和市場需求的具備工程實踐能力的創(chuàng)新型人才。