高频电子线路实践教学的建设和探索

1、第28卷第4期2006年8月电气电子教学学报J OU RNAL OF EEEVol. 28No. 4Aug. 2006高频电子线路实践教学的建设和探索刘静波(南京工程学院通信工程系, 江苏南京210013摘要:高频电子线路是通信和电子专业的重要专业基础课, 实践教学是其中的一个重要方面。本文介绍了高频电子线路实践教学中的具体做法和体会, 总结了教学经验。着重对实验装置的设计、实践项目的规划以及实践教学的一些具体方法进行探讨。目的是提高学生动手能力, 从而提高教学质量。文章中以课程设计为例阐述教学方法的具体实施, 包括仿真与实际调试的关系和课程设计中进行不同角度的应用等。实践证明, 效果良好。关

2、键词:高频电子; 实践教学; 教学探索中图分类号:G64214; TN7文献标识码:B(2006 04-0087-05R the High Frequency Circuit Practice T eachingL IU Jing 2bo(Dept. of Communication Engineering , N anj ing I nstit ute of Technolog y , N anj ing 210013, China Abstract :The high frequency elect ronic circuit is an important basic course in

3、 t he communication and elec 2t ronic speciality , t he p ractice teaching is an important aspect. This article int roduces concrete procedure and t he experience in high f requency elect ronic circuit p ractice teaching , summarizes t he teaching experi 2ence. Emp hatically , t he design of experim

4、ent devices and t he planning of practice project s are presented here , and also some concrete met hods of t he p ractice teaching met hods are discussed. The goal is enhances t he st udent s p ractical ability , t hus t he teaching quality can be improved. This article elaborates concrete implemen

5、tation of t he teaching met hods , t he course designs are taken as t he example , including relatio ns of t he simulation and t he p ractice debugging , t he applications f rom different angles in course designs. The p ractice has p roved t he good effect s.K eyw ords :high f requency elect ronic ;

6、p ractice teaching ;teaching research高频电子线路是通信、电子等专业的一门必修课, 作为教学的一个重要方面, 实践环节对于学生理解课本知识、增进学习兴趣、掌握知识要点、培养动手能力起到不可替代的作用。在任课教师和实验室管理人员的共同参与下, 对我院的高频实验室在项目建设和实践教学等方面做了有益的探索, 取得了良好的效果。笔者曾有幸参与了此次探索, 特撰文对以下几个方面做一总结, 与同行进行交流。1实验装置的设计1 目标在了解和学习其他院校的经验基础上, 我们自行设计制作了“H EL -1高频电子电路实验系统”, 在本院的高频电子线路实践教学中投入使用, 三年

7、来, 达到预先设计的目的, 实现了理论教学与实践教学相结合的要求。实验装置的设计并不是简单地将收稿日期:2006-01-10; 修回日期:2006-06-08作者简介:刘静波(1969- , 男, 江苏靖江人, 大学本科, 工程师。 主要从事高频电子实验教学工作。88电气电子教学学报第28 卷实验电路展现于实践教学中, 必须综合考虑实验装置能真正体现出课本知识点, 做到简洁实用、实验目标明确。“实用”主要体现在实验装置的设计围绕理论教学中每个章节的重点与难点, 便于有选择地进行实践教学, 力争把高频电子线路课程的核心内容反映出来。2 具体考虑投入人力和物力自行设计实验装置主要基于下列考虑:(1

8、 任课教师是教学的主体, 对课本知识有较好的认识, 让他们参与实验装置的设计, 对教学将有很好的促进作用; (2 教师和实验室管理人员共同参与设计实验装置, 有利于从实际出发, 充分利用实验室现有条件, 设计出符合自己实验室条件的实验装置, 不会产生“盲目”的后果; (3 角度出发, 性、方便性, 3 举例以丙类谐振功率放大器的调整与测试为例, 具体地看一下实验装置的设计考虑。类似这样验证性的实验可能在高频电子线路实践教学中是一个最基本的实验项目。文献3和4侧重于电路的分析和设计计算, 对设计实验装置有较好的参考。但从设计验证性的实验角度出发, 必须结合教材内容综合考虑, 才能设计出符合实验教

9、学要求的实验装置, 因此设计该部分实验装置时, 需要注意以下几个方面:(1 完整性要能观察余弦脉冲的波形, 便于对电路进行调谐, 并可验证考虑负载特性、输入信号幅度对谐振功率放大器的影响、电源电压对谐振功率放大器的影响时电路的三种不同工作状态(欠压、临界、过压 12。同时还应考虑到上述三种因数对谐振功率放大器的影响时必须有统一的基准量, 否则测试结果没有意义。在实验时, 取电源为+12V 、负载为015k , 以电路处于临界状态时的输入信号大小为基准量。在考虑上述三种因数对谐振功率放大器的影响时, 分别测试余弦脉冲幅度、导通角、负载电压幅度、集电极电压幅度等值。从实验数据中得出结论并与理论对比

10、, 从而使学生真正地掌握这部分内容。(2 合理性电路参数设计应合理, 改变参数时可以明显地观察到谐振功率放大器状态的改变。这取决于基准点的选取, 也取决于设计实验装置时电路参数的合理配置, 否则很难达到实验的目的。(3 方便性有利于教学实践, 改变电路参数时操作方便; 测试点的安排互不影响。同时便于管理和维护。2实验和课程设计项目的规划我们对高频电子线路教材和实践参考资料做了综合分析, 从自身的条件和教学要求来考虑, 感到有必要对实验和课程设计项目进行合理设置和规划。基本思路如下:(1 。(, 同时兼顾实。(3 与教材贴近, 基本覆盖教材内容。项目设置类型多样, 不同类型实验和课程设计项目有合

11、理的课时安排。这样在教学中可以有目的地针对不同专业、不同层次的学生开展实践教学。按照这样的思路, 我们列出实验与课程设计的项目清单, 设计实验装置时以此为基础。由于任课教师的直接参与, 同时项目清单中列出的内容基本覆盖了教材要求掌握的内容, 因此从教学、实验室管理、学生操作三方面都能较好地兼顾。表1是详细的项目清单, 其中主要表示出要求、类型和学时。从表1可以看出, 设计的项目有演示、验证、综合、设计四种类型, 对不同的实验和课程设计的要求有不同的安排:在实验项目中“, 必做”的部分占三分之二, 其涉及的内容是教材中的重点部分, 另外也考虑到授课中可能没有更多的实践教学课时, 只能先确定表1中

12、的“必做”实验部分; 课程设计项目均表示为“选做”, 这是因为有的班级没有课程设计课时安排, 其次是为了给教师以更大的选择性。3仿真与实际调试相结合利用计算机仿真单元电路作为一种辅助手段是一项有益的尝试, 虽然仿真不能替代实际调试, 但完全可以作为一种补充, 即在某些方面可以补充实际调试中无法观察的部分。学生通过仿真, 可对该单元电路有初步认识。学生在仿真调试的界面上, 可以很方便地改变元件或电路中参数, 观察不同条件下电路的工作情况。第4期刘静波:高频电子线路实践教学的建设和探索表1实验与课程设计项目项目名称常用高频仪器的使用压控增益小信号调谐放大器的调整与测试丙类谐振功率放大器的调整与测试

13、实验要求选做选做必做必做必做必做必做选做选做实验类型 演示验证验证验证设计综合综合、设计 验证89计划学时数233342443实验高电平调幅与峰值包络检波电路的调整与测试L C 正弦波振荡器的设计、安装与调测集成模拟相乘器的应用集成锁相环路的应用变容二极管直接调频电路的调整与测量课程设计小功率调幅发射系统的设计与实现调频发射与接收系统的设计与实现频率合成器的设计与实现一周一周一周, 调幅发射、, 电路的种类较多, 荡电路为重点内容12, 我们选用常见的EWB5. 0来对该电路进行仿真, 可以方便地观察电路参数对振荡波形的影响。图2振荡波形起振, 但波形较差; F 小时不易起振, 且振幅小, 但

14、波形较好。表2是不同条件下的反馈系数F 仿真后的结果。表2反馈系数F 对振荡电路的影响C 1/p F C 2/p F1506800. 18072. 65417. 212915010000. 13043. 35187. 182815015000. 09094. 95397. 057815022000. 06388. 15246. 727115030000. 047614. 37176. 178图1西勒振荡电路的仿真仿真电路的三极管电流增益为80、其余取理想条件, 各元件参数见图1。仿真中可以利用示波器观察改变静态工作点对振荡电路的影响、反馈系数F =C 1/(C 1+C 2 对振荡电路的影响、改

15、变三极管参反馈系数F 起振点s 幅度V 波形失真正常正常正常正常数对振荡电路的影响等。通过示波器测量的周期可以得到振荡电路的频率, 并与理论值f =21(C 3+C 4比较。图2是图1电路参数条件下的振荡波形, 可以看出周期为158. 4ns , 频率约是6. 3M Hz , 接近理论值。通过仿真软件可以很方便地了解电路参数对振荡电路的影响, 例如仿真中可以方便地改变反馈系数F 的大小来观察对电路波形的影响。F 大时易通过仿真可以进一步了解电路原理、掌握电路中各元件参数对电路的影响等基本知识, 从而对教材内容有更深的理解。学生通过图1电路的仿真, 对该电容三点式电路可以了解到:改变C 4可改变

16、振荡频率; 改变C 1和C 2则影响电路起振以及波形等性能。在此基础上, 学生对自己设计的单元电路有了一些初步的认识, 再进高频实验室进行实际调试, 可以达到以较少的硬件成本换取较高效率的目的。总之, 仿真与实际调试结合使用, 可以极好地起到相90电气电子教学学报 第28卷互补充的作用。4设计性实践教学进程的管理1 如何发挥学生的主动性表1中的验证性实验是贯穿于整个教学中, 往往是每学完一个单元后而进行相应的实践教学, 课程设计等设计性实践教学是学生学完该课程后进行的一项综合技能训练。理想条件下, 由教师提出设计任务和要求, 作适当引导后, 学生设计并完成设计任务。通过了解和自身的实践, 发现

17、由于受到课时和其它因数限制, 有时未能达到上述要求, 这种情况下, 我们采取以下几个方面措施, 尽量营造出利于学生发挥和自我设计的空间。(1 教师适当引导, 但要把握尺度, 出, (2 。, 、良好的测试仪器, 同时积极肯定学生的创新精神。(3 考察是否满足设计任务规定的指标要求, 有哪些因数影响到指标? 如何解决?(4 引导学生认识到对设计过程中各单元电路和整个系统的参数测量的重要性。其目的是要让学生明白, 对单元电路和整个系统参数测量是完成该设计任务的重要方面。系统的核心是什么? 各单元电路之间的关系是什么? 设计各单元电路的依据是什么?2 引导学生的具体实例对于表1中“小功率调幅发射系统

18、的设计与实现”的指标要求为6M Hz 的中心频率、频稳度10-5、输出调幅波功率P 0max 200mW 、调制系数50%、包络不失真。设计时引导学生按照以下步骤来实现:(1 先根据指标设计调幅发射电路(如基极调幅 。(2 测量设计的调幅电路, 得到满足指标要求的需要的载波幅度和调制信号幅度。(3 再设计振荡电路, 确定电路形式并验证是否满足作为载波输入到调幅电路后的幅度。因为载波幅度不能满足要求则会影响输出功率、调制度等。同时考虑到频稳度的要求, 因此以晶体振荡电路为首选方案。(4 确定调制信号放大电路的设计方案, 可以用运放实现, 或采用分立元件设计。(5 系统统调。通过测量判断是否满足设

19、计要求, 必要时对单元电路作修改。通过这样的训练, 学生可以把所学的知识前后联系起来, 并运用到实践中。培养学生的设计思路、解决问题的能力是设计性实践教学的根本目的。3 由易到难, 从不同角度的应用带动实践教学以表1中的“频率合成器的设计与实现”这一设计性项目为例, 可以采取“先易后难”的方式逐步进行实践教学。图3是频率合成器的框图, 在基本锁相环路(PLL (N , 就可, f r =f v , 即f 0 r 图3频率合成器的框图教学中我们分别采用CD4046和MC145163P两种不同的锁相集成芯片实现不同的设计要求。先采用CD4046来实现频率和范围较低(如10k Hz 160k Hz

20、、频率间隔较大(如10k Hz 的频率合成器; 然后采用MC145163P 来实现频率和范围较大(700k Hz 9. 999M Hz 、频率间隔较小(1k Hz 的频率合成器。目的是体现教学中由易到难的思路, 让学生逐步掌握该类型电路的设计方法。从频率合成器的设计来看, 所谓不同角度的应用可以从图3上反应出来。CD4046内部集成PD 、VCO 部分2, 因此必须先测试一定元件参数下内部VCO 的特性, 或者是由CD4046组成的PLL 特性进行测试, 测量其频率跟踪范围, 看看是否符合设计要求。另一个重要任务就是N 分频器的设计(即设计出可变进制计数器 。MC145163P 内部集成了PD

21、 、N 分频器、参考分频器5, 应用MC145163P 实现上文提到的设计目标重点是选择并设计出合适的VCO , 即频率覆盖范围如何达到设计要求的VCO , 可以采用集成VCO 芯片(如74L S624 , 当频率较高但频率范围不宽时采用分立元件(如变容二极管(下转第111页 VCO 也是可行的。第4期刘琦:案例导学与任务督学相结合的“程序设计”课程教学模式探讨111的讲解分量, 但可用调节理论与实验课的侧重点来解决理论课时的不足, 即课堂教学以算法讲授为重, 上机实验则以程序调试和语法验证为主。教学过程反映出这种侧重的分配是合理的。围绕解题算法介绍的语法概念须择要点讲解, 不必过细, 可将验

22、证过程和深入理解留待学生上机时进行。在机房实验中借助集成开发环境学习并掌握语法并不难, 而且比之课堂讲授少了许多枯燥和抽象, 但教师要注意总结和传授验证语法的方法。3. 4任务分层, 评价分层在任务督学中, 不但要给出难度层次不同的任务, 在作业点评时, 还要引导不同层次学生寻找水平相当的对手, 注重以进步的大小而不是以完成任务的难易为标准表扬学生, (上接第90扬的机会, 促使他们参与竞争、共同进步。4结束语教学实践证明, 案例导学与任务督学相结合的教学模式很适合程序设计类课程, 它能明显提高学生的学习兴趣, 有利于调动学生的学习积极性, 能帮助学生在有限的学时内较快掌握该门课程, 迅速培养

23、和提高学生实际的程序设计能力, 深受学生欢迎, 且教学效果的显著。参考文献:1. (第二版M :. 的教学改革与实践J.武汉:理工,2004(6 :96-97同, 遵循由易到难的过程。这种模式的实践教学拓展了学生的应用能力。并留出设计项目“拓展与发挥”部分就更能锻炼学生的实际动手能力, 有助于学生真正掌握理论知识。参考文献:1谢嘉奎, 宣月清, 冯军1电子线路(非线性部分 (第四版 M 15结束语高频电子线路的实践教学包含了上面提到的实践类型, 从具体教学实施的效果可以反映出:首先应让学生通过基本实验来掌握理论知识, 因此实验装置的设计应该适合理论教学; 其次是必须重视设计性实践教学, 设计性实践教学可以根据不同专业、不同层次学生、不同课时安排条件下选择合适项目进行。对于上述提到的一些方法与设想可以综合运用于实践教学中, 如果对设计性实践教学中综合考虑(上接第