ELVIS平臺(tái)在研究型教學(xué)中的應(yīng)用

李華騰， 向韻麟， 朱 俊

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

ELVIS平臺(tái)在研究型教學(xué)中的應(yīng)用

李華騰， 向韻麟， 朱 俊

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

本文以阻容耦合放大電路的傳輸特性為例，揭示了研究型教學(xué)的特點(diǎn)與實(shí)施過(guò)程，以及ELVIS教學(xué)平臺(tái)在其中的作用。以問(wèn)題的提出開(kāi)始，讓學(xué)生去分析產(chǎn)生的原因、解決問(wèn)題的理論基礎(chǔ)，并討論其應(yīng)用價(jià)值。實(shí)踐表明，問(wèn)題的提出是研究型教學(xué)的核心，ELVIS平臺(tái)由于其功能強(qiáng)大、可拓展性強(qiáng)，可促進(jìn)研究型教學(xué)的開(kāi)展。

研究型教學(xué)；Elvis平臺(tái)；相位差

0 引言

研究型教學(xué)是一種在教師的組織指導(dǎo)下，以特定問(wèn)題為導(dǎo)向，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的教學(xué)。它既是一種教育思想觀念，又是一種教學(xué)方式，它包含三個(gè)要素：?jiǎn)栴}的設(shè)計(jì)、自由的環(huán)境與相應(yīng)的硬軟件設(shè)施[1]。

具體到“模擬電子線路”這門(mén)課程來(lái)說(shuō)，當(dāng)學(xué)完“模擬電子線路”理論課與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課后，為了鞏固所學(xué)知識(shí)和綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，可組織學(xué)生以業(yè)余科研的方式開(kāi)展研究型教學(xué)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。

下面，我們以常見(jiàn)的阻容耦合放大電路實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)案例來(lái)討論如何開(kāi)展研究型教學(xué)。

1 問(wèn)題的提出

理解放大器的傳輸特性是深入理解放大器的基礎(chǔ)，所以，問(wèn)題設(shè)計(jì)之一就是研究二級(jí)阻容耦合放大電路的傳輸特性。

學(xué)生分別以頻率為1 kHz、振幅為10 mV和50 mV正弦信號(hào)接入放大器輸入端，用示波器觀察其輸入輸出傳輸特性，其結(jié)果如圖1所示。顯然，結(jié)果除了表現(xiàn)為李薩如圖形，即產(chǎn)生輸入輸出相移之外，基本上符合理論上對(duì)傳輸特性的描述。

圖1 實(shí)驗(yàn)所得的傳輸特性曲線圖

2 問(wèn)題的確定

顯然，相移問(wèn)題超出了學(xué)生通常所學(xué)的理論知識(shí)范圍。于是，我們要求并指導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生相移的原因與李薩如圖形的特點(diǎn)。

學(xué)生通過(guò)資料查閱，以及對(duì)放大電路相關(guān)知識(shí)的復(fù)習(xí)，明確表示：①雖有各種放大器相移問(wèn)題的研究，但此問(wèn)題還沒(méi)有見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)；②若李薩如圖形是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則輸出信號(hào)是超前于輸入信號(hào)的；若是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，結(jié)論則相反。這一點(diǎn)明確了，但通過(guò)傳統(tǒng)示波器很難判斷李薩如圖形是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

學(xué)生通過(guò)不同的儀器多次測(cè)量，得到了同樣的結(jié)果，這表明其結(jié)果不是由于噪聲、環(huán)境干擾或測(cè)量?jī)x器誤差所致。學(xué)生又進(jìn)一步分別用不同頻率與不同振幅的輸入信號(hào)，也得出類(lèi)似的結(jié)果。其中，如果頻率越高，則結(jié)果越理想，這說(shuō)明是由于電路內(nèi)部容性效應(yīng)所致。通過(guò)分析所使用的晶體管的特性以及傳輸特性在飽和區(qū)或截止區(qū)附近的特性，可以排除由三極管結(jié)電容產(chǎn)生相移的可能性。

因此，我們要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和仿真等手段找出問(wèn)題原因，并在ELVIS平臺(tái)上自主設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其結(jié)論的正確性。

3 ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由NI公司開(kāi)發(fā)的ELVIS II虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能提供多款常用的桌面虛擬儀器，如數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器及波特分析儀等。這些虛擬儀器具有良好的協(xié)同工作能力，可實(shí)現(xiàn)多用戶多應(yīng)用。平臺(tái)上可移動(dòng)的開(kāi)發(fā)板允許學(xué)生在不同的時(shí)間內(nèi)使用相同的平臺(tái)，免去了麻煩且耗時(shí)的重構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程。NI ELVIS II虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好的支持研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)并兼容電路仿真軟件Multisim。

于是，學(xué)生在Multisim中創(chuàng)建一個(gè)基于NI ELVIS II平臺(tái)的電路設(shè)計(jì)文件，仿真多級(jí)共射阻容耦合放大電路。仿真電路如圖2所示。

圖2 二級(jí)阻容耦合放大仿真電路

4 初步結(jié)論

通過(guò)NI ELVISmx Function Generator，輸入頻率1 kHz，振幅為30 mV的正弦信號(hào)，仿真該電路，然后利用仿真示波器觀察輸入輸出波形和輸入輸出電壓的傳輸特性曲線。仿真結(jié)果如圖3(a)所示，仿真結(jié)果證實(shí)了相移是由電路本身所產(chǎn)生的，李薩如圖形為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸出相位超前于輸入相位。

學(xué)生借此就可進(jìn)一步分析放大電路中的容性問(wèn)題。電路中有兩種電容，一種是阻容耦合電容，信號(hào)傳輸經(jīng)過(guò)耦合電容時(shí)，電容要充放電，至使輸出信號(hào)出現(xiàn)了延遲。另一種電容為旁路電容，它給被放大的交流信號(hào)提供通路，保證交流放大量，防止交流信號(hào)在電阻上產(chǎn)生壓降形成交流負(fù)反饋從而減少了交流放大量。所以，旁路電容越大實(shí)驗(yàn)效果越好，但是由于實(shí)驗(yàn)成本的限制，采用很大旁路電容的做法是不現(xiàn)實(shí)的。然而，旁路電容到底對(duì)傳輸特性有何種影響？

分別給不同的電容擴(kuò)大10倍，通過(guò)仿真，學(xué)生能明確地給出：對(duì)我們所關(guān)心的結(jié)果而言，C1、C2、C5及C3的變化可以忽略，只有C4能影響到傳輸?shù)南辔惶匦?。?dāng)把C4的值增大到470 μF，其仿真結(jié)果為圖3(b)所示。

通過(guò)仿真示波器觀察到：傳輸特性曲線變?yōu)橐粭l曲線，不再是橢圓狀的李薩如圖形。這說(shuō)明增大旁路電容C4減小了輸入輸出的相位差。

5 利用理論知識(shí)分析結(jié)論

共射阻容耦合放大電路的小信號(hào)電路圖如4所

(a)C4=47μF (b)C4=470μF圖3 仿真電路輸入輸出傳輸特性

示由于需要考慮旁路電容Cx對(duì)相位的影響，學(xué)生就利用放大電路的小信號(hào)模型分析電路，這是一種以小振幅的正弦電壓為擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)電測(cè)量方法[2]。

圖4 小信號(hào)等效電路圖

(1)

其中，ω為角頻率，

(2)

輸入輸出電壓增益AV為

(3)

(4)

對(duì)于由圖2所示的二級(jí)阻容耦合放大電路而言，C2為第一級(jí)放大電路的旁路電容，

(5)

這表明在一定的負(fù)反饋條件下，抑制了旁路電容所產(chǎn)生的相移。然而，對(duì)于第二級(jí)放大電路，C4構(gòu)成了其旁路電容，它沒(méi)有射級(jí)負(fù)反饋電阻，則：

(6)

這樣，就得到相位差為20 °左右，不可以被忽略。因此，學(xué)生從理論上導(dǎo)出了電容C4是影響傳輸相位特性的主要因素。

6 利用ELVIS平臺(tái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論

仿真實(shí)驗(yàn)是忽略了很多細(xì)節(jié)和誤差的理想化實(shí)驗(yàn)，并不能代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)。但是傳統(tǒng)的儀器又存在著一定的局限性。這樣，在我們的研究型教學(xué)中，學(xué)生可以通過(guò)Labview編程，利用NI的ELVIS II虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到更加直觀精確的結(jié)果。

首先把元器件按照電路圖插入ELVIS平臺(tái)面包板，將輸入輸出端口分別接入ELVIS信號(hào)采集端口，連接好的實(shí)物電路如圖5所示。

圖5 Elvis平臺(tái)電路實(shí)物圖

學(xué)生使用Labview設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)傳輸特性分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位差的測(cè)量。一般虛擬儀器測(cè)量相位差有過(guò)零法，頻譜分析法(FFT)和相關(guān)分析法3種方法[3]。

過(guò)零法即通過(guò)判斷2個(gè)或多個(gè)同頻率信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算其時(shí)間差，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)相位差。3種方法中過(guò)零法抗干擾能力最差，并且其本身就存在誤差，因?yàn)閷?shí)際信號(hào)采集幾乎無(wú)法準(zhǔn)確采集到零點(diǎn)時(shí)刻。由于噪聲信號(hào)和正弦信號(hào)不相關(guān)，因此利用信號(hào)的相關(guān)性原理測(cè)相位具有很好的抗干擾性。相關(guān)法測(cè)量相位差適用于低頻信號(hào)，特別是對(duì)超低頻信號(hào)的測(cè)量具有良好的效果。FFT測(cè)量的虛擬相位差實(shí)質(zhì)上是求頻譜的基頻分量。雖然FFT法計(jì)算量大，但抗干擾能力強(qiáng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)這三種方法的對(duì)比測(cè)試， FFT法和相關(guān)法這兩種算法的效果比較理想，在本實(shí)驗(yàn)中兩種方式都予以采用，算法程序框圖如圖6所示：

在程序前面板設(shè)置采樣模式為“有限采樣”，采

圖6 程序框圖

樣頻率為50 kHz，打開(kāi)ELVIS平臺(tái)電源，運(yùn)行程序，前面板運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 相位差計(jì)算程序前面板

前面板示波器顯示的傳輸特性圖為李薩如圖形，兩種算法得到的相位差均為 21 左右，說(shuō)明輸出信號(hào)超前于輸入信號(hào)。并且，當(dāng)點(diǎn)擊前面板按鈕“連續(xù)運(yùn)行”程序的時(shí)候，我們也可以清楚地看到順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的李薩如圖形。這與前面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是一致的。當(dāng)我們給旁路電容C4替換幾個(gè)較大的電容時(shí)候，運(yùn)行程序后，相位差均減小了，驗(yàn)證了C4確實(shí)影響了相位差變化。

7 應(yīng)用的延伸

對(duì)于學(xué)生掌握模擬電子線路特別是反饋電路而言，放大器的相移研究很有意義。為了表明這點(diǎn)，我們希望學(xué)生進(jìn)一步利用此放大器來(lái)構(gòu)成RC振蕩電路，研究其相移對(duì)振蕩電路的影響。

正弦波振蕩器實(shí)驗(yàn)電路如圖8所示，要使振蕩器起振，必須滿足相位平衡條件，它取決于放大電路本身的相位差與選頻回路所附加的相位差，這也就是我們所要研究相移問(wèn)題的電路意義。

假如該放大器沒(méi)有相移，振蕩頻率fA取決于文氏橋電路的幅頻峰值。但此放大電路所構(gòu)成的RC振蕩電路的振蕩頻率為fB(fB>fA)，放大倍數(shù)AVF> 3，這是由于放大器的超前相位，必然會(huì)導(dǎo)致文氏橋電路頻率增加，以抵消其超前相位，同時(shí)，也導(dǎo)致其幅頻低于1/3，即放大器的放大倍數(shù)會(huì)大于原理論值。

圖8 RC橋式正弦波振蕩器實(shí)驗(yàn)電路

8 教學(xué)評(píng)價(jià)

與傳統(tǒng)的教學(xué)方式不同，研究型教學(xué)十分重視實(shí)驗(yàn)過(guò)程的個(gè)性化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多樣性，這使得在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上很難開(kāi)展研究型教學(xué)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，我們很容易在ELVIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上還原學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而使研究型教學(xué)可以部分由計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)更具有客觀性。另外，它還很容易地實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)主體和評(píng)價(jià)客體的多樣性。

9 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)在研究型教學(xué)中的一個(gè)實(shí)際例子來(lái)揭示研究型教學(xué)的過(guò)程特點(diǎn)，即通過(guò)阻容耦合放大器傳輸特性的李薩如圖形來(lái)展示問(wèn)題的描述、問(wèn)題的確定、產(chǎn)生問(wèn)題的原因、解決問(wèn)題的理論基礎(chǔ)、以及在實(shí)際電路中的應(yīng)用等。顯然，問(wèn)題的提出是研究型教學(xué)能順利開(kāi)展的關(guān)鍵。

實(shí)際上，對(duì)傳輸特性曲線的討論，還可以從工作點(diǎn)對(duì)其影響，以及非線性方面等多角度進(jìn)行討論；另外，學(xué)生對(duì)整體相移關(guān)系并沒(méi)有完全梳理清楚?？紤]到學(xué)生的知識(shí)背景、興趣點(diǎn)等方面因素，本文并沒(méi)有全面展開(kāi)。

在研究型教學(xué)平臺(tái)方面，我們認(rèn)為NI公司ELVIS II虛擬儀器構(gòu)建電子線路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。它除了可代替一般實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的各種設(shè)備，還可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)測(cè)量與分析工具，從而擴(kuò)展了學(xué)生的實(shí)踐領(lǐng)域；對(duì)教師而言，它可回放實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生能得到教師的充分指導(dǎo)。它最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，我們認(rèn)為是輸入輸出一體化，改變了傳統(tǒng)儀器各自為政的局限性，并為我們提供一個(gè)開(kāi)放式的軟件及硬件平臺(tái)。

當(dāng)然，ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也存在著一些不足，例如在多路信號(hào)的電路分析中，儀器自身也存在著一部分相位誤差，我們認(rèn)為這可能與儀器內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡的采樣精度和速度有關(guān)。

[1] 別敦榮. 研究性教學(xué)及其實(shí)施要求[J]. 北京:中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2012(8):10-12

[2] 魏波, 呂喆. RC并聯(lián)電路的交流阻抗譜[J]. 吉林:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 2011, 24(5):58-60

[3] 王莉, 楊鵬. 基于LabView的數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J]. 上海: 儀表技術(shù), 2009 (11):45-47

[4] 石竹玉,朱俊. 虛擬示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(1):88-92

The Application of ELVIS Platform on Research-Based Teaching

LI Hua-teng, XIANG Yun-lin, ZHU Jun

(SchoolofPhysic,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Based on the example of the transmission characteristics of RC coupled amplifier, we put forward the characteristics and the process of research-based teaching, and raises the role of ELVIS teaching platform. Beginning with the problem design, we let the students analyze the causes and solve the problems with the theoretical basis, and then discuss its applications. Results show that the key of research-based teaching was the question design, and the ELVIS platform could promote the development of research-based teaching for its powerful functions and strong expansibility.

research-based teaching; ELVIS platform; phase difference

2015-07-13;

2015-11- 11

湖北省教育研究項(xiàng)目“LabVIEW仿真物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用”(批準(zhǔn)號(hào)：2008012)

李華騰(1990-)，男，在讀碩士生，研究方向?yàn)樘摂M儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，E-mail：523542792@qq.com

G642

A

1008-0686(2016)02-0079-05