淺談RC橋式振蕩電路的教學(xué)新思路

郭 姣,劉艷良

(海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部,遼寧大連 116018)

正弦波振蕩電路是“模擬電子技術(shù)”課程中的重要內(nèi)容之一。在現(xiàn)有的教材中,通常采取的講法是:從負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的原理和條件出發(fā),推導(dǎo)出正弦波振蕩電路的起振條件、振蕩條件及其組成要素(即放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)),進(jìn)而分析RC橋式正弦波振蕩電路的組成與工作原理[1,2]。這樣的編排盡管條理清晰,但初學(xué)者在有限的課時內(nèi)正確理解這些內(nèi)容十分困難。

筆者針對正弦波振蕩電路教學(xué)內(nèi)容的特點,提出了一種新的教學(xué)思路,旨在突破教學(xué)難點。實踐表明,這樣講解符合初學(xué)者的認(rèn)知規(guī)律,更利于學(xué)生理解和掌握這部分教學(xué)內(nèi)容。

1 RC橋式振蕩電路的教學(xué)思路

RC振蕩電路內(nèi)容屬于原理性教學(xué),目的是要讓學(xué)生理解振蕩器的振蕩原理和振蕩條件。我們在教學(xué)過程中,通過設(shè)置目標(biāo),引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)過的知識和方法進(jìn)行分析。該部分內(nèi)容采用探究型教學(xué)模式,即演示導(dǎo)入→設(shè)疑激趣→啟思解疑的三步式教學(xué)模式,如圖1所示。

2 RC橋式振蕩電路教學(xué)內(nèi)容的導(dǎo)入

圖1 RC橋式振蕩器的教學(xué)思路示意圖

在傳統(tǒng)的RC橋式振蕩電路講法中,由負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的原理導(dǎo)入,進(jìn)而得到正弦波振蕩電路的起振條件、振蕩條件及其組成要素,會使學(xué)生覺得比較抽象。筆者在教學(xué)中采取了以下做法。

首先,將RC橋式振蕩的電路圖展示給學(xué)生,觀察其組成有兩部分:一是同相放大電路,一是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。拋出的問題是,從結(jié)構(gòu)上看,該電路沒有輸入,會有輸出嗎？如果有輸出,其波形會如何？然后,在如圖2所示的Multisim環(huán)境中連接好電路,在示波器中觀察接通電源后的輸出波形,如圖3示。

圖2 RC橋式振蕩電路的Multisim仿真圖

由此,學(xué)生得到該電路的功能,即不需要外加激勵,就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦波信號。進(jìn)而,學(xué)生會提出疑問:該電路為何具有如此功能,其輸出波形為何具有幅度從小增大和進(jìn)而穩(wěn)定的特點呢？實踐表明,借助仿真電路及其波形,可化抽象為具體,為學(xué)生進(jìn)一步理解正弦波振蕩電路的功能與原理打好鋪墊。

3 RC橋式振蕩電路教學(xué)內(nèi)容的展開

RC橋式振蕩電路的組成及工作原理是教學(xué)的難點。為了幫助學(xué)生解決理解過程中的困難,筆者在教學(xué)中采取了將難點分散的做法,也即把一個大問題分解為如下三個小問題。

(1)無輸入為何有輸出？

為了解決該問題,我們引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析,根據(jù)能量守恒定律,輸出的能量應(yīng)當(dāng)由電源提供。在剛接通電源的一瞬間,電路內(nèi)部一些器件上就發(fā)生了微弱的電壓電流變化,我們把這一現(xiàn)象稱為電源接通擾動,仿真后的波形如圖4所示。這種擾動信號和電路中的噪聲都可看作是電路的信號源,因而該電路并非無中生有。

圖3 RC橋式振蕩電路仿真波形

圖4 電源接通時的擾動波形

擾動和噪聲信號的幅度很微弱,需進(jìn)行處理。學(xué)生容易想到,要得到所需幅值的正弦波,需要放大電路。在RC橋式振蕩器中,可實現(xiàn)放大的是同相放大電路,其放大倍數(shù)為1+Rf/R1。由于信號太小,還需將放大后的信號送回輸入端反復(fù)放大,即電路中需要引入反饋,顯然是正反饋。在RC橋式振蕩器中,可承擔(dān)反饋的是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。于是,該電路的輸出幅度從小到大實現(xiàn)了起振。

(2)如何輸出一定幅值的正弦波？

學(xué)生進(jìn)而會提出疑問,該電路的幅值會無限制地增大嗎？根據(jù)運放器件的特點可知,當(dāng)信號幅度增大到一定程度后,就會使得運放進(jìn)入非線性區(qū)工作,從而限制了幅度的增加,達(dá)到了穩(wěn)定幅度的目的,最終輸出一定的幅值的正弦波。通常,振蕩電路也可引入其他穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。

(3)如何得到一定頻率的正弦波？

擾動和噪聲信號還具有頻率范圍廣的特點,要從多個頻率的信號中只選取出一個頻率的信號,顯然需要選頻網(wǎng)絡(luò)。在RC橋式振蕩電路中,可實現(xiàn)選頻的是RC串并聯(lián)電路。此時我們可引導(dǎo)學(xué)生考察RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性,更易使學(xué)生接受。通過推導(dǎo)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出與輸入之比隨頻率變化的特性,可得其幅頻特性曲線和相頻特性曲線,如圖5所示。

可見,RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性曲線具有明顯的峰值,該網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。該網(wǎng)絡(luò)在 ω=ω0=1/RC處,其輸出輸入之比取最大值1/3,輸出輸入相位差為0。

針對這一結(jié)論,我們可調(diào)節(jié)電容C的大小對該電路進(jìn)行Multisim仿真。在示波器中可以觀察電容C改變時,發(fā)現(xiàn)電路的波形輸出頻率發(fā)生了變化,如圖6所示。通過這一仿真實驗,可使學(xué)生對RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性具有更深刻的理解。

圖5 RC網(wǎng)絡(luò)的頻率特性

圖6 電容C改變時的電路仿真波形

通過解決以上三個問題,學(xué)生可得到這樣的結(jié)論:正弦波振蕩電路的振蕩過程,是由擾動和噪聲信號中選取一定頻率的正弦波信號進(jìn)行放大且穩(wěn)定在一定幅度,因而電路需由選頻網(wǎng)絡(luò)、放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路組成。通常,選頻網(wǎng)絡(luò)可以充當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)的作用,穩(wěn)幅電路也可包含在放大電路當(dāng)中,所以整個振蕩器由兩大部分組成:放大A與反饋F,框圖如圖7所示。

圖7 正弦波振蕩器的組成框圖

4 RC橋式振蕩電路教學(xué)內(nèi)容的深入

經(jīng)過以上討論,學(xué)生已基本理解RC橋式正弦波振蕩電路的功能和工作原理,以及正弦波振蕩電路的組成要素,我們可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生深入思考:若具備了正弦波振蕩電路的組成要素,就一定能輸出一定頻率和幅值的正弦波嗎？

若將圖1所示振蕩電路中的可調(diào)電阻Rf變小至19kΨ,輸出波形會發(fā)生什么樣的變化？利用Multisim軟件對參數(shù)改變后的電路進(jìn)行仿真,在示波器中觀察接通電源后的輸出波形,如圖8所示。

圖8 電阻Rf參數(shù)改變后的仿真波形

仿真后發(fā)現(xiàn)參數(shù)改變后未能起振,原因是什么？我們借助該問題,調(diào)動學(xué)生分析問題和解決問題的積極性,可引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出正弦波振蕩電路能夠振蕩的條件。

由圖7可知,要想維持振蕩需輸出波形的后一時刻與前一時刻相同,需要后一時刻與前一時刻的輸入波形相同,即·Xf=·Xa,因而·Xf/·Xa=1,可寫為

由此可推導(dǎo)出維持振蕩的條件為 ·A ·f=1。其中,振幅平衡條件 AF=1,相位平衡條件+=2nπ。學(xué)生容易進(jìn)一步得到起振條件為AF>1和+=。

現(xiàn)在,我們再來分析RC橋式正弦波振蕩電路。由于選頻網(wǎng)絡(luò)的F=1/3。為了滿足起振條件,需要求A>3。為滿足穩(wěn)幅條件,需使得A=3。即同相放大電路中,選擇參數(shù)Rf≥2R1。至此,我們已經(jīng)引導(dǎo)學(xué)生解決了正弦波振蕩電路起振條件和維持振蕩條件的問題。

最后,可將正弦波振蕩電路的振蕩條件與負(fù)反饋放大電路的自激振蕩條件相比較,學(xué)生就更易發(fā)現(xiàn),兩者之間的區(qū)別僅為正負(fù)反饋相位相差π。

5 結(jié)語

筆者在正弦波振蕩電路的教學(xué)中,將電路的起振穩(wěn)幅過程進(jìn)行仿真,將電路的工作原理進(jìn)行難點分解,將電路的振蕩條件引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo),使學(xué)生加深了對振蕩電路的理解和掌握,收到了較好的教學(xué)效果。

[1] 康華光主編,電子技術(shù)基礎(chǔ)(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2007,434～441

[2] 吳友宇主編,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009,292～298