高频电路实验教学中的问题与解决策略

高频电路实验教学中的问题与解决策略

1实验结果同预期相距不远在高频实验和教育过程中，经常会出现一些问题。例如，由于机器的不适当使用，实验数据无法获得。操作错误导致实验要求完成。由于方法错误，实验结果与预期一致。本文根据多年的实践,指导学生运用所学理论知识,采取归纳法将可能导致问题的原因一一进行列举,然后通过关键的测量来逐步探明故障原因,最后优选方法使问题得到解决。学生从所遇的问题分析中不光巩固了所学理论,更从实际问题的解决中提高了实践能力,增强了对实验的兴趣和学习的乐趣。2例子2.1高频试验的特点2.1.1教师在实验课程学习中的作用由于“高频电子线路”介于专业基础课和专业课之间,起到承上启下的作用,加之“高频电子线路”课程本身系统性、非线性和单元电路的特点,其基本概念多、理论性强、非线性的分析方法和基本电路形式复杂等特点,给本门课程的学习增添了不少的困难和难度。高频实验作为高频课程极其重要的实践环节,需要教师在实验过程中将理论知识与实际应用更紧密的结合。学生必须很好地掌握运用理论知识解决实际问题的能力,才能在走上工作岗位后更好地为社会服务。因此,学生在实验课程的学习中,首先要明确目的,其次,按照实验五环管理过程,踏踏实实做好每一步,才能高效而顺利地完成实验。教师在实验教学中起着一个指导、帮助的作用,学生是主体,要充分发挥学生的主观能动性,启发学生的创造性思维。使实验教学与理论课教学相辅相成,融汇贯通。2.1.2高频电路分析的关键因素高频实验因其电路的频率特性及元器件的非线性特性,使得理论设计与实际结果并不能完全一致。这是高频实验与学生在前期所做的模拟电子电路等其他课程实验的显著不同。在低频实验电路中可以忽略的因素在高频电路的设计与分析中往往不可以小觑,甚至起着至关重要的作用。尽管电路设计与分析的主程序依然沿用与其他实验相同的传统的方法,例如,静态工作点、工作状态(欠压、过压)、载荷等等的合理设置与设计。但是,由于影响高频电路性能的因素纷繁复杂,一个小小的接地,乃至元器件的布局、布线等都是不可忽视的重要因素,因此,在实际电路的分析中,经验的积累就显得尤为重要和可贵了。高频理论课是我们设计、分析的理论基础与指导,而实验、设计等实践环节就是不断的积累,是实际应用、解决问题、创造发明的摇篮。2.1.3振荡条件不满足LC振荡器实验中,经常出现的问题大致有:①振荡条件没有满足,使得电路无法起振;②振荡管的静态工作点不合适,使得不起振或振荡不稳定;③没有合适的仪器,无法正确判断振荡与否。2.2运行问题的示例和分析在LC振荡器的设计、调试实验中,对所遇到的问题,我们指导学生按如下的思维方式进行分析与解决。2.2.1保护电路元件,注意起振条件现象:按照理论估算的(西勒振荡器)元件参数选择元件并焊接完成振荡电路,用示波器观测振荡器无波形输出。分析与解决:西勒振荡器是在串联改进型电容反馈三点式振荡电路(克拉泼振荡器)的基础上,在晶体管集电极电感两端并联一个小电容,以提高振荡频率的稳定性,能够做产生更高振荡频率的振荡器,是振荡电路中被选用较多的电路形式之一。遇到振荡器不起振的情况首先要查看电路连接是否正确,若电气连接有问题,要及时排除。由于电路中存在几处短路帽的连接,必须要仔细检查各处短路帽连接是否正确;其次,检查电路主要元件是否损坏,及时更换;再次,分析起振条件。检查电路相位条件是否满足,正反馈有没有构成;在此基础上要保证振荡器起振的幅度条件AF>1;最后,通过合理设置静态工作点,调整基极电位器Rb1的值,使IE=UE/Re=设计值,用示波器观察振荡器输出端信号,配合工作点调整,直至取得良好波形。注意,若估算的电容参数值不合适,也不能使振荡电路起振。反馈电路中的电容值的参考数量级一般为pF级,应合理选用。结论西勒振荡器同一般的振荡器一样,振荡需要满足起振条件,同时注意静态工作点的调整。实例2振荡器起振异常。现象:振荡器输出无波形,用万用表测量发射极电压时,示波器有震荡波形显示,当表笔离开发射极时,波形消失,表笔再接触波形又显。分析与解决:从现象看问题在发射极及相关元件,测发射极电压时有波形输出而停止测量就消失,说明原因可能是发射极有接触不良或电路缺少测量电压所形成的相应条件。通过观察发现:机械振动对振荡器的工作情况无影响,说明其故障不是接触不良而是缺少测量电压所形成的相应条件。由于测量发射极电压时,万用表与发射极电阻为并联关系,万用表的等效内阻使发射极电阻减小,发射极电流增大,说明停振的原因为发射极电流偏小所致。调整基极偏置电阻,使发射极电流适当增大,振荡器工作恢复正常。结论小功率管在3mA以下,电压放大倍数随发射极电流增加而增加,当发射极电流过小时,不满足振荡器起振的幅度条件AF>1,而无法起振。2.2.2振荡不稳定间隙振荡的问题现象:LC振荡器工作于硬自激状态。分析与解决:通常,振荡器应不需外加任何激励便可自激振荡——软自激。正常的振荡器在接通电源后电路即有振荡波输出,而硬自激必须在振荡器输入端预先加一个一定幅度的信号,振荡器才能起振,相当于需要一个“助推力”。硬自激现象的发生,说明振荡器平衡状态的振幅稳定条件未能得到满足,晶体管的静态工作点取得太低,甚至为反向偏置,而且反馈系数F也较小。断开振荡回路与振荡管的连接,或使振荡回路的电感短路,以使振荡器停振。调节振荡管基极偏置电阻,使发射极静态电流IE增大。同时,增大反馈系数F;用示波器观察电路输出,至出现良好的振荡波形。结论一般情况下都应使振荡电路工作于软自激状态,避免硬自激。实例4LC振荡器不稳定(间歇振荡)。现象:振荡器时而振荡,时而停振。分析解决:间歇振荡产生原因来自振荡器的自偏压电路参数选择不当。为避免间歇振荡发生,发射极偏置电阻Re及其旁路电容Ce的乘积ReCe时间常数取值不能过大。振荡管工作点应选得较低,起始自偏压也应较小。结论在正弦波振荡器中,间歇振荡是一种危害性很大的振荡现象,必须力求避免和消除。以上几例都是振荡器的起振与稳定方面的问题。通过分析,看到静态工作点的设置无论是在低频电路还是高频电路中始终是一个及其重要的关键性问题。静态工作点设置的适当与否关系到整个电路制作的成败。实例5西勒振荡器输出信号频率不可调或可调范围变小。在进行高频振荡器实验时,要对实验电路进行一系列的调整和测试,包括正确构建实验电路(短路帽的短接、切换开关的位置)、静态工作点的测试、振荡器输出信号的调整等。在进行振荡器波段覆盖系数测试时,需要调节可变电容C110(见图1)。现象:调节电容C110,对输出信号频率f0变化甚微。调节C110时有手感过畅的感觉。分析与解决:①从调节电容C110对输出信号频率f0变化甚微现象可看出,问题在电容C110和与之相关的其他元件;②用示波器观察到电路有正常正弦波形输出,只是调节电容C110时输出信号频率f0的变化太小,说明问题在电容C110本身或与电路的连接线上;③将直流电源关断后用万用表电阻档检查C110与电路的连接线没问题,因此问题就聚焦在电容C110;④将有问题振荡电路中的电容C110与正常振荡电路的电容C110作调节对比试验,发现在调有问题振荡电路中的电容C110时手上明显有过畅的感觉,说明电容C110确有机械接触不良故障;⑤更换电容C110后实验电路恢复正常。结论学生在实验中对C110调节频度高,因此容易出现机械接触不良的毛病。由此可推理到实际的电子设备出现故障时,机械调节频度高的元件出现机械接触不良故障的可能性较大。2.2.3振荡起振判断实例6在没有示波器的情况下,如何用万用表检测振荡器起振与否。在进行振荡器实验时,我们可以通过实验室的示波器来观察振荡器是否起振。但同学在进行综合实践或调试自制LC振荡器时,手边不一定有合适的仪器,这时要判断其是否起振,就得寻找一些简便的办法。通常,进行实践活动时,万用表是必备的工具,万用表主要用来测量电路的直流电压,依靠万用表,用测量直流电压的方法能完成振荡器起振与否的判断吗?现象:没有示波器,怎样判断振荡器是否起振。分析与解决:①从振荡的建立过程可知,振荡器起振后的集电极电流平均值IC0明显比未起振时ICQ大(见图2),从而导致起振后振荡管的发射极电压(UE=IERe=ICRe)明显比未起振时大,因此可抓住这一特征来判断起振与否;②万用表观察并记下振荡管发射极的电压UE;③将LC振荡回路的电感短路(意使振荡器停振),再观察并记下振荡管发射极电压U′E;④根据电感短路前后发射极电压的大小有无变化来判别振荡器是否起振:UE=U′E,则未起振;UE≠U′E,即为起振了。结论在实际工作中,当遇到缺少常规工作条件的情况下,也可以动脑筋设法利用手头上现有条件来解决实际问题。2.3中小型器件设备在使用过程中出现的一些基通过多年实践积累,以较为严谨的逻辑思维、较为灵活的操作方式,逐步形成了一套分析解决实验、实践中遇到各种问题、故障的行之有效的方法,归纳出如下模式:(1)提出问题。实际遇到的问题与故障。(2)罗列现象。直接观察到的表面现象及通过仪器观测到的波形、数据等。(3)分析解决。①审视实验或测试的方式方法是否有误,及时调整;②仪器设备按说明书正确使用,避免因误操作造成错误判断;③外接的各种电源、信号等均设置正确,连接可靠;④全面检查电路,排除电气故障,保障电路构成正确、畅通;⑤检查主要元器件的完好性,及时更换损坏的器件;⑥分析达成正确结果所需的条件,如:振荡的相位、振幅条件,静态工作点的设置等;⑦逐级分析、逐级排查,并用仪器进行监视;⑧对各种参数进行调整,直至得到满意的结果。(4)结论。在分析解决问题的过程中得到的规律、经验教训以及常见问题的归纳与注意、警示等。按照这样的分析模式,同学们不仅分析问题解决问题的能力增强了,同时,这种检查模式,也使同学们在设计工作中考虑得更周全、做得更仔细,养成了电气工程师应有的良好职业素质。为今后走上工作岗位打下良好的基础。3实验的基本原理高频电路是一个综合性的整体工程。理论课教师要树立学生的高频电路整体观,加强理论与实际相结合。任何一个独立的单元电路调试得再好,也不一定在整个系统中发挥出最好的作用。因此,实验或实践中,遇到问题时,要综合考虑多方面因素,无论是设计或调试都不会一次就达到设计要求,需要对各个参数进行协调。要考虑相互间的影响,找出真正的故障原因。予人一杯水,自己须有一桶水。实验教师必须具有丰富的实践积累,才能指导学生运用扎实的理论知识分析和解决实验教学中遇到的形形色色实际问题。实验教学旨在培养学生科学的世界观和方法论,巩固基础课和专业课理论,是培养学生的创新能力、实践能力的重要教学环节。高频实验是工科院校通信、电子类专业十分重要的专业