通信课程实验案例教学研究

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随着互联网技术[1]的发展，要求任课教师利用多种信息化教育技术手段[2]应用在教学中。在传统的教学方式中，往往都是根据教科书上的章节进行知识内容的讲解，学生不能将各单元内容串联起来，并关注到各知识点之间的关系。因此本文主要关注利用“互联网+”背景[3]下新的教学方法，以学生为主体，教师为辅，教师的作用从主导变为引导[4]，本文以三点式振荡器改进过程为例，理论分析各电路的利弊，逐步改进电路引导出后面的知识点。利用Multisim[5]进行电路仿真，介绍了从理论分析、电路绘制及调试验收等方面的整体学习过程，通过观察各种情况下的波形以及测量数据的变化，与理论知识相互验证，让学生深入理解其改进原理并能够独立完成仿真分析，整体实验效果良好。互联网技术与教育相结合[6]，必然带来教学方式和学习效果的新变革。

一、案例课程设计要求

振荡器内容设计，是《通信电子线路》课程中，接收机系统的重要组成部分。根据学生所学知识，设计了系列相关实验，通过由浅入深的实验内容与相应的实验现象分析，能够明确学生的学习方向，引导学生思考其背后的原理与本质。实验内容深入探讨了三点式振荡器设计及其改进电路原理现象的分析，巩固了学生的知识，适合于所有学生学习。总体任务：利用Multisim仿真软件，采用教材上的原理知识，选择三点式振荡器、克拉泼电路、西勒电路，以及相关改进电路进行仿真分析，并掌握几种电路的原理知识和改进方法。基本内容：（1）理解三点式振荡器的振幅平衡条件，相位平衡条件；（2）在Multisim中对电容三点式振荡器进行简单的设计，分析电路特性；（3）仿真克拉泼电路，对比电容三点式电路进行性能分析；（4）仿真西勒电路，对比电容三点式电路进行性能分析；扩展内容：（1）对每种振荡器进行分析，通过循序渐进改变电路方式加深对振荡器电路的理解；（2）分析改进电路对电路性能的影响；（3）增加射极跟随器，增强带负载能力。

二、案例课程教学过程

启发引导式案例教学方式执行过程中，首先要讲授振荡器电路的定义及原理，以及波形产生过程：接通电源后，各种电扰动→放大→选频→正反馈→再放大→再正反馈→振荡器输出电压↑→器件进入非线性区→稳幅振荡。其次，分别针对电容三点式振荡器、克拉泼振荡器和西勒振荡器进行原理介绍和各类电路的优缺点介绍，并讲授清楚，振荡器电路是如何一步步演进和修改电路，以达到系统需要的性能。见表1所示。根据以上电路分析，为了提高带负载能力和输出信号幅度，对西勒电路进行改进。西勒振荡器改进电路主要由三部分构成：起能量放大作用的三极管放大器，三点式回路组成的正反馈网络，射极跟随器构成的缓冲级，如图1所示。图1为带有射极跟随器作为输出缓冲级的西勒改进振荡电路。由射极跟随器特点可知，射极跟随器的输出信号和输入信号同相，保证了信号相位不会发生变化，只是信号强度增大。通过仿真软件测量数据可知，由缓冲级输出的正弦波振幅明显高于由前端西勒振荡电路直接输出的信号强度。对于射极跟随器，输入阻抗比较高，输出阻抗比较大，所以适合作缓冲极，同时提高带负载能力。

三、电路调试与验收

根据以上电路设计内容与分析比较，要求学生独立完成每个电路仿真设计，并将测试结果与数据分析已报告形式展现。实验结果及分析过程如下：（一）电容三点式振荡仿真测试。仿真波形稍微有些失真，经过计算，此振荡电路的输出振荡频率应该为11MHz左右，但是实际仿真结果显示为10.769MHz，与预期结果存在微小误差。由分析可知，可能是极间电容的影响，因为原理图[7]中的C1、C2相对不是很大，极间电容影响就有点大了。除此之外，如果想增加振荡频率，就需要减小C1、C2，但是这样又增加了极间电容的影响。电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高，且起振速度较慢。（二）克拉泼振荡仿真测试。仿真克拉泼振荡仿真电路并测试数据分析。克拉泼电路增加了可变小电容，使得频率调节比较方便，且极间电容的影响比较小，因为根据电感、电容元器件计算，可得理想谐振频率为15MHz左右，实际仿真实验结果频率为15.19MHz。改进后的电路波形比原电容三点式振荡器稳定度高了很多，这是因为晶体管一部分接入的形式与回路连接，接入系数p越小，耦合越弱。减弱了晶体管对回路的影响。同样调节电路参数，可知克拉泼振荡特点：（1）振荡频率改变不影响反馈系数；（2）振荡幅度比较稳定；（3）可调节电路中的串联电容，即可在一定范围内调整其振荡频率。（三）西勒振荡仿真测试。仿真西勒振荡仿真电路并测试数据分析。根据仿真电路中的电感、电容元件取值，理论计算谐振频率为22MHz左右，实际仿真结果21.429MHz，相差不多，频率结果可认为近似相等。西勒振荡器的接入系数与克拉泼相同，频率可调节范围相比克拉泼电路有扩大，振荡频率可以较高，且波形较为稳定。同样调节电路参数，可知西勒振荡器特点：（1）振荡幅度比较稳定，起振速度有改进；（2）振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时其波段覆盖系数较大，波段范围内输出电压幅度比较平稳。（四）西勒改进振荡仿真测试。对改进后的西勒电路进行仿真测试如图2所示。由示波器观察数据可知，示波器A通道（幅度低的波形）表示直接由前端西勒振荡电路产生输出的正弦波，示波器B通道（幅度高的波形）表示经过射极跟随器缓冲级后再输出的正弦信号。由示波器波形可知，经过射极跟随器的正弦波的信号幅度明显增大，进而能够提高后端带负载的能力。

四、结束语

利用仿真实验辅助硬件教学方式实施了很多年，通过仿真实验的灵活性，能够方便地改进电路，对于循序渐进地引出知识点的讲解和学生独立设计，提供了良好的创新实践平台，极大地弥补了课堂教学模式单一的弊端，更排除了硬件异常所带来的影响，为以后的电路设计、参与竞赛及科研活动打下坚实的基础。

作者:张立立 马国强 张振坤 刘军 单位:东北大学