晶體管收音機裝、調(diào)實踐教學研究

李建　王爍

摘 要：晶體管收音機的安裝和調(diào)試是高校以培養(yǎng)學生綜合能力為目的在電子工程類專業(yè)一年級學生開展的傳統(tǒng)工程實踐課程。本文以CDIO工程教育理念出發(fā)，結(jié)合傳統(tǒng)教學經(jīng)驗，用最簡單的收音機為切入點，進行系統(tǒng)原理、分析元器件分析、仿真驗證、組裝和調(diào)試，逐步引導學生完成整個晶體管收音機的裝、調(diào)實踐項目，讓零基礎學生的也能建立學習興趣，讓學生的理論和實踐等到更緊密的結(jié)合。

關(guān)鍵詞：晶體管 收音機 CDIO工程教育

晶體管的發(fā)明是人類歷史上的重大事件，它作為當今社會信息化、網(wǎng)絡化、自動化、智能化等高新技術(shù)的基礎與先導，從根本上改變了人類社會的生活面貌[1]。晶體管收音機的組裝和調(diào)試是高校以培養(yǎng)學生綜合能力為目的在電子工程類專業(yè)一年級學生開展的傳統(tǒng)工程實踐課程。傳統(tǒng)的教學方法是先講解晶體管收音機的接收原理，再指導學生進行收音機組裝與調(diào)試，以能收聽到電臺廣播節(jié)目就算完成任務，這不是CDIO的工程教育培養(yǎng)模式。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement） 和運作（Operate）。CDIO工程教育理念就是要以項目實施的全過程為載體來培養(yǎng)學生的工程能力，包括學生的工程科學、技術(shù)知識，自身的終身學習能力、團隊交流合作能力以及在社會和企業(yè)環(huán)境下的建造能力[2]。本文結(jié)合傳統(tǒng)教學經(jīng)驗，以最簡單的收音機為切入點，進行系統(tǒng)原理分析、元器件分析、仿真、組裝和調(diào)試。逐步引入調(diào)諧電路、單晶體管音頻放大電路、無源低通濾波電路、乙類功率放大電路、本地振蕩電路、混頻電路諧振放大電路和AGC電路。每引入一個電路就是對晶體管收音機的一次升級，并對引入的電路進行獨立和整合后的原理分析、仿真、組裝和調(diào)試。晶體管收音機的裝、調(diào)實踐項目就在六次課（24個學時）中完成。調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)學生在完成晶體管收音機調(diào)試后，大部分學生都沒有再用調(diào)試好的晶體管收音機收聽節(jié)目，少數(shù)人一周內(nèi)會有使用，之后就廢棄了。通過晶體管收音機裝、調(diào)實踐項目讓學生參與到了晶體管收音機安裝調(diào)試運行改良至終結(jié)廢棄的全過程，增強了學生的CDIO工程教育的理念，讓學生理論和實踐等到更緊密的結(jié)合。下面對晶體管收音機裝、調(diào)實踐的教學過程進行介紹。

一、最簡單的收音機

最簡單的收音機原理圖如圖1a所示，這個收音機制作起來就非常的簡單，只需要漆包線、一個耳機和一個普通二極管就能聽到電臺廣播的聲音，關(guān)鍵還不需要供電?？紤]到在實驗室制作的原因，選用已有的晶體管收音機套件，則改變后的電路如圖1b所示， 用磁性天線代替大樹，天線線圈任選一組，二極管選用1N4148，3.5mm耳機插孔（方便使用手機的耳機收聽）。

電子信息專業(yè)相關(guān)的項目中對模擬和數(shù)字電路進行功能仿真，最常用的是Multisim仿真軟件。通過該軟件繪制出最簡單收音機的仿真圖如圖2所示，XFG1為Agilent的信號源，XSC1為Tektronix的四通道示波器，實驗室為雙通道示波器。選用這兩個儀器最大的優(yōu)點就是界面和實驗室的儀器基本一樣，先用虛擬儀器熟悉操作后，再到真實的儀器上操作。即降低了真實儀器的磨損，也提高了儀器的利用率。該仿真電路需要注意的就是變壓器T1代替的是磁性天線及其線圈，在T1參數(shù)設置的時候選擇非理想電感，初級線圈電感值約為600uH，Q值37（通過電橋測試儀在40kHz時測得，若不加磁性天線在線圈中，電感值約為53uH，Q值3.7），R1為耳機阻抗，也可以設置為32Ω，由于真實耳機功率一般不超過100mW，需先用電阻模擬耳機，待信號調(diào)至合適幅度后方能接上耳機試聽。指導學生學用虛擬儀器產(chǎn)生調(diào)制波形，幅度不超過1V，經(jīng)R2模擬傳播衰減，C1耦合到天線T1上，再檢波輸出。在學生經(jīng)過對系統(tǒng)原理和仿真了解后，讓學生自行修改C1，R1，R2參數(shù)，取消或改變D1的方向，使得學生增進了對簡單收音機原理的掌握，明確每個元件參數(shù)對系統(tǒng)的影響，理解二極管特性以及二極管在檢波電路中的作用。最后通過真實的信號源產(chǎn)生調(diào)幅信號，用直插的電阻電容做信號的衰減和耦合至收音機。安裝最簡單的收音機，用耳機聽出加信號和不加信號的差異，調(diào)試并記錄真實示波器波形，對比仿真結(jié)果與實際的差異。體驗了產(chǎn)品的使用效果后，構(gòu)思改進方案，并在仿真軟件上驗證。在學生經(jīng)歷了電路設計、仿真、組裝和調(diào)試的過程后，即經(jīng)歷了一個產(chǎn)品的研發(fā)過程。

二、引入調(diào)諧電路

通過對最簡單的收音機進行系統(tǒng)原理分析、仿真驗證、組裝和調(diào)試，學生會發(fā)現(xiàn)電路雖然簡單，但是存在諸多缺點，比如沒有選擇性，雜音多，音量小且不能調(diào)節(jié)，即使是加了無干擾的調(diào)幅信號后，聽到的單頻聲音也不正常等等。這是第一批產(chǎn)品在用戶使用后反饋回來的諸多問題，針對這些問題以及產(chǎn)品后續(xù)的發(fā)展，都應該逐一解決。先對沒有電臺選擇這一關(guān)鍵問題進行改進，即加入調(diào)諧電路。這里調(diào)諧電路又分為單調(diào)諧電路和雙調(diào)諧電路兩種，根據(jù)LC諧振回路的特性，對比單、雙調(diào)諧電路的特點。調(diào)諧電路的收音機原理如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)二極管的接法變了，后端的電容又有什么作用，若改為雙調(diào)諧電路又應該如何連接，帶著這些問題讓學生選擇自己合適的電路進行改進工作。

加入調(diào)諧電路的音機仿真圖如圖4所示，該系統(tǒng)產(chǎn)生了三個不同頻率（535 kHz，1000kHz，1465kHz）和幅度的調(diào)幅信號，以此來簡單模擬現(xiàn)實中復雜信號的場景，充分體現(xiàn)出調(diào)諧電路的優(yōu)點。由C2和線圈構(gòu)成的LC諧振回路，根據(jù)線圈電感600uH，要分別把三個頻率選擇出來，C2分別的取值需要由學生計算得出。另外根據(jù)仿真電路，C2的變化，可以從示波器上明顯看出三個信號的幅度變化，以此來體現(xiàn)調(diào)諧回路的優(yōu)點。閉合開關(guān)S1，同時修改C3的值，觀察R1上的波形變化。安裝簡單收音機時，由于C3在實際可調(diào)電容中無法找到，則用幾個固定值的電容替換測試。這個試驗的信號產(chǎn)生可以用一個信號源分別產(chǎn)生三個信號進行測試，或用三個信號源像仿真圖上的接法進行連接。用耳機聽出信號在可變電容改變電容值時信號的變化，調(diào)試并記錄真實示波器波形，對比仿真結(jié)果與實際的差異。在引入調(diào)諧電路后，即對電路進行了升級，是一個產(chǎn)品的延續(xù)升級過程。

三、引入其他電路

在引入調(diào)諧電路后，學生對電阻、電容、電感和二極管有了很深的認識，能用仿真軟件對其他簡單電路進行初步驗證，并根據(jù)電路進行安裝和調(diào)試。接下來加入晶體管音頻放大電路，也叫前置放大電路，含晶體管放大電路的收音機原理圖如圖5所示，該電路是掌握晶體管放大特性的最基礎的電路。晶體管放大電路工作需要電源，輸入輸出需要用電容來隔斷直流分量，通過仿真熟悉工作原理后，進行安裝調(diào)試。在安裝好該電路后，調(diào)試的過程中學生會發(fā)現(xiàn)耳機的聲音變大了。

引入無源低通濾波電路給學生帶來的聽覺變化就很微小了，通過仿真可以非常方便的看到濾波器的特性，如圖6所示RC濾波器與LC濾波器，對比兩種濾波的特性，并引出高通、帶通、以及高階濾波器讓學生課后思考。

從加入濾波器的收音機原理圖中可以看出，濾波器加了兩處，都為π型濾波器，如圖7所示。電源輸出后加濾波器的作用除了濾波，還有電阻的限流作用，所以在電路越復雜，工作電流越大的時候，此電阻值的選取尤為重要。在此處加入了音量控制的電位器，讓學生覺得這個功能的實用性非常大。

引入乙類功率放大電路是對晶體管使用的一個提升，該電路設計的元器件很多，所以把未調(diào)試的部分隱藏，直接采用完整電路進行講解。電路的參數(shù)，序號可以直接使用，讓安裝后的電路板初具規(guī)模。本地振蕩電路與混頻電路的引入讓調(diào)試的難度加大了不少，本來之前還能聽到比較清楚的電臺，現(xiàn)在聲音質(zhì)量更差了，這樣讓學生對超外差式收音機有了感性和理性的認識。帶著這些疑問，再引入諧振放大電路與AGC電路后，完整的晶體管收音機原理圖就展現(xiàn)出來了，如圖8所示。這是學校已經(jīng)明白如何去分析解決問題，并能進行系統(tǒng)電路聯(lián)調(diào)，讓晶體管收音機的整機性能達到了最好的效果。

在整個課程中，以兩人一組，合理分工，原理分析、仿真、安裝和調(diào)試各有側(cè)重，互相解答學習。要求在驗收時才能把喇叭接入，這樣即讓整個課程中不再嘈雜，也讓學生有個相對安靜的調(diào)試環(huán)節(jié)，有問題的同學更能得到及時有效的解答。

結(jié)語

本文介紹的晶體管收音機裝、調(diào)實踐教學，適合電子工程類專業(yè)一年級的學生，讓零基礎學生的也能建立學習興趣，是以最簡單的收音機為切入點，進行系統(tǒng)原理分析、元器件分析、仿真、組裝和調(diào)試。逐步引入調(diào)諧電路、單晶體管音頻放大電路、無源低通濾波電路、乙類功率放大電路、本地振蕩電路、混頻電路諧振放大電路和AGC電路。由簡到繁，讓學生學會獨立思考、協(xié)作、分析和解決問題的能力，符合CDIO的工程教育培養(yǎng)模式，讓學生的理論和實踐等到更緊密的結(jié)合。

參考文獻

[1]盧森鍇.晶體管發(fā)明60年[J].大學物理，2008年2月第27 卷第2 期

[2] 段慧達、劉德君. 基于CDIO 工程教育理念的人才培養(yǎng)[J]. 才智，2011年32期

第一作者：李建 1983年6月，男， 漢族，籍貫： 四川內(nèi)江，職稱：講師，學歷：碩士，工作單位：成都信息工程大學

第二作者：王爍 1982年9月，男， 漢族，籍貫： 青海共和縣，職稱：講師，學歷：碩士，工作單位：成都信息工程大學