“高頻電子線路”仿真式案例教學(xué)的設(shè)計

冷 文

(天津大學(xué) 電氣自動化與信息工程學(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。而該課程實踐性強(qiáng)的特點(diǎn)也突出了配套實驗的重要性[2],目前“高頻電子線路”課程多采用基于實驗箱的驗證性實驗,但是缺乏將多項理論知識融合在一起的綜合性實驗教學(xué)。針對這一問題,案例式教學(xué)是目前很多教改項目采用的解決方法之一[3-4],它具有綜合性強(qiáng)和案例客觀真實的特點(diǎn),對于激發(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“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,借助計算機(jī)輔助分析方法,基于一個具體電路的分析將所學(xué)高頻理論知識進(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)和客觀真實的特點(diǎn),對于案例選擇標(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課程的教學(xué)內(nèi)容;③完整的實驗平臺,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:①收音機(jī)焊接是很多學(xué)校電子工藝實習(xí)內(nèi)容,學(xué)生對其工作原理有一定的了解;②收音機(jī)框架包含了對無線信號接收處理的完整過程,能夠?qū)崿F(xiàn)對高/低頻電子線路知識較大范圍的覆蓋;③本文所述案例是在Multisim平臺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)成了完整的實驗平臺;④本案例教學(xué)過程中,除對收音機(jī)基本功能的仿真驗證之外,還可以充分發(fā)揮計算機(jī)輔助分析的優(yōu)勢,將拆分電路、算法分析、信號源多元化構(gòu)成以及豐富的測試設(shè)備等真實實驗不易實現(xiàn)的功能應(yīng)用其中,為案例的開放性研究創(chuàng)造條件。

本案例與對應(yīng)課程關(guān)系描述如下:對于“高頻電子線路”課程,通過電路的驗證仿真和調(diào)試,讓學(xué)生加深對選頻、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,特別是將理論知識應(yīng)用到一個具體案例中,為學(xué)習(xí)一個完整電子系統(tǒng)提供非常好的實踐機(jī)會;對于“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)備在真實工程設(shè)計中的應(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),仿真時間會隨著電路復(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靈活的信號源設(shè)計,為實現(xiàn)不同仿真分析目的而設(shè)計不同的信號源;②對于在Multisim中不存在的器件(如晶體管9013和9018)采用替代器件,對于中周器件根據(jù)其所起作用采用子電路方式進(jìn)行設(shè)計,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+中頻信號處理部分

如圖1所示,兩個電路的劃分也對應(yīng)著下文介紹的電路拆分法:完整的電路中,在某個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拆解就是將該節(jié)點(diǎn)后的電路用一個對應(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)信號源或交流信號源。

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

2.1 選頻+變頻電路

將圖1(a)的信號選頻電路部分,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現(xiàn)對輸入信號的頻率選擇,將圖1(a)中的信號源設(shè)定為一個交流電壓源,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,并添加對地電阻。將圖1(a)中的信號源設(shè)定為555 kHz/100 mV正弦信號,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準(zhǔn)555 kHz和1020 kHz,其中諧振信號加到Q1的基極,本振信號加到Q1的發(fā)射極,利用晶體管的非線性特性實現(xiàn)諧振信號與本振信號的混頻,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對應(yīng)本地振蕩頻率,2對應(yīng)輸入的555 kHz信號,3對應(yīng)本地振蕩信號和輸入信號的頻率差,即中頻465 kHz信號。在沒有拆分的圖1(a)原圖基礎(chǔ)上,重做上述實驗,結(jié)果見圖3(b),這兩個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,它不僅要實現(xiàn)增益的提升,同時還要保證良好的通頻帶特性,對于這部分電路的驗證可以在圖1(a)的基礎(chǔ)上通過電路拆分法單獨(dú)對中頻放大電路進(jìn)行分析,拆分后的電路如圖4所示。

圖4 單獨(dú)驗證中頻放大功能的仿真電路

設(shè)置圖4交流信號源V1幅度=100 mV,分析每經(jīng)過一個中周(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,同時也可以看出通頻帶寬的保證。

(a) 第一中周

對于自動增益控制(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幅度大范圍變化條件下,輸出信號的變化范圍受AGC的影響而變小。在本文案例的驗證中,將圖1(a)中信號源設(shè)計為正弦信號,然后在一定范圍內(nèi)調(diào)整信號源幅度,同時測量輸出信號峰峰值的變化范圍。對于自動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來實現(xiàn)。

圖6 參考文獻(xiàn)提供的AGC特性展示

2.3 檢波電路

對于檢波電路的分析,首先將圖1(a)的信號源設(shè)定為調(diào)幅源(載波555 kHz,調(diào)制信號頻率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)電路中將信號源設(shè)計為PWL信號源,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。可以在節(jié)點(diǎn)14處安裝失真分析儀,以調(diào)制信號頻率為基波頻率進(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實現(xiàn)的是二極管檢波結(jié)果的低頻信號放大,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證低頻信號放大的效果。對于這個電路的深入了解,可以通過調(diào)整偏置電阻R3來改變直流工作點(diǎn)并影響信號放大結(jié)果,仿真方法包括直流工作點(diǎn)測量、輸入/輸出波形對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傳輸和分配、推挽功率放大器的信號放大以及輸出變壓器實現(xiàn)的信號合成等內(nèi)容。電壓波形的變化可以在對應(yīng)節(jié)點(diǎn)安裝示波器進(jìn)行驗證,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變壓器T1和T2的Multisim設(shè)置參數(shù)只有變壓比,這個參數(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 針對案例的教學(xué)安排

案例設(shè)計離不開合理的教學(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),這個簡介既是對已學(xué)知識的回顧,也是為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容提供一個明確而具體的學(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。針對本文的案例,在“器件+模型介紹”的教學(xué)中,增加針對多元化信號源的構(gòu)成以及中周子電路設(shè)計的介紹和練習(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,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驗報告和PPT總結(jié)演示,最后教師根據(jù)實踐報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,一方面實現(xiàn)了對于“高頻電子線路”理論知識的回顧以及具體應(yīng)用的體驗,另一方面也通過將“電子線路機(jī)助分析”中的各項教學(xué)內(nèi)容真實并集中地應(yīng)用到一個具體案例分析設(shè)計上,鍛煉了學(xué)生使用電路仿真軟件開展設(shè)計調(diào)試的能力。

4 結(jié)語

針對“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覆蓋特性,同時又具有普遍性,大大縮短學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識與實際生活的距離。

案例與仿真軟件的結(jié)合,可以彌補(bǔ)在真實實驗中不容易實現(xiàn)如算法分析、電路拆分和多元化信號源合成等操作的不足;同時在實驗設(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)域的知識創(chuàng)造了一定的實驗條件。

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