立體虛擬技術(shù)在高頻電子線路課程中的應(yīng)用探索

郭交++秦立峰

【摘要】高頻電子線路課程是電子信息類與通信類專業(yè)本科生的一門專業(yè)核心課程，在整個學(xué)科體系中具有承上啟下的重要作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以掌握高頻電子線路的基本理論、基本概念及基本分析方法，而且能夠運用課程所學(xué)相關(guān)知識去分析、設(shè)計、解決實際的工程技術(shù)問題。高頻電子線路課程的特點是內(nèi)容多、專業(yè)性、綜合性較強(qiáng)，涵蓋了高等數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)、電路分析、模擬電子線路等知識，對學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求較高。在該課程的實際教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反映該課程理論抽象、電路分析復(fù)雜、掌握困難，因此，要想達(dá)到良好的教學(xué)效果，對該門課程進(jìn)行教學(xué)改革是迫切而有意義的。

【關(guān)鍵詞】虛擬技術(shù) 高頻電子線路 課程探索

【中圖分類號】G642.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）24-0198-02

目前高頻電子線路課程的教學(xué)主要包括兩個組成部分，一是理論教學(xué)部分，即以傳統(tǒng)的“灌輸式”講授為主，主要在課堂上完成；二是實踐教學(xué)部分，在實驗室利用現(xiàn)有的實驗箱進(jìn)行，基本上都是驗證性實驗，按部就班。教學(xué)過程中目前存在的問題主要集中在以下幾個方面：（1）理論教學(xué)中，有些基本單元電路在分析中理論較為枯燥，學(xué)生易產(chǎn)生抵觸情緒，學(xué)習(xí)積極性不高，導(dǎo)致基礎(chǔ)理論知識掌握不夠深入；（2）實踐教學(xué)中，由于高頻電子線路自身的特點，在實驗過程中，輸出波形與數(shù)據(jù)較容易受外界干擾，致使波形失真，實驗數(shù)據(jù)與理論分析出入較大，實驗效果也不理想，學(xué)生缺乏對實驗結(jié)果的有效分析。究其原因，與現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)模式有很大關(guān)系，主要是理論教學(xué)中缺乏理論分析與直觀試驗的有機(jī)結(jié)合，理論與實踐脫節(jié)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致學(xué)生基本知識掌握不足、技能水平低下、實踐能力缺乏。

針對上述存在的情況，為提高教學(xué)效果，在高頻電子線路課程的教學(xué)過程中，可以有針對性地引入立體虛擬仿真技術(shù)。在教學(xué)過程中，通過引入從信號級到電路級的多層次仿真實驗，使抽象的理論以直觀的仿真形式得到充分展示和驗證，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且利用仿真還可以進(jìn)行一些實際操作受外界干擾大且不易調(diào)試的實驗，如混頻，調(diào)幅與解調(diào)等等，可以解決實際高頻實驗中存在的實驗效果不理想等問題。

一、傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

理論教學(xué)中，有些基本單元電路在分析中理論較為枯燥，學(xué)生易產(chǎn)生抵觸情緒，學(xué)習(xí)積極性不高，導(dǎo)致基礎(chǔ)理論知識掌握不夠深入；實踐教學(xué)中，由于高頻電子線路自身的特點，在實驗過程中，輸出波形與數(shù)據(jù)較容易受干擾，致使波形失真，實驗數(shù)據(jù)與理論分析出入較大，實驗效果也不理想，學(xué)生缺乏對實驗結(jié)果的有效分析。

二、 立體虛擬技術(shù)在高頻電子線路教學(xué)中的應(yīng)用

高頻電子線路課程包含許多單元電路，課程內(nèi)容的組織形式也是按照各單元電路的功能實現(xiàn)，在單元電路的授課過程中，要涉及到基本單元電路的信號分析和具體的電路結(jié)構(gòu)形式，將信號級和電路級虛擬仿真技術(shù)分別引入到單元電路的信號分析和具體電路的實現(xiàn)形式中，結(jié)合可視化的演示，將有助于學(xué)生深入理解、掌握相關(guān)內(nèi)容。

1.單元電路的信號分析—信號級虛擬仿真

單元電路講授的第一步是要進(jìn)行單元電路的信號分析，包括調(diào)制信號、載波信號和已調(diào)波信號的時域和頻域分析，從信號的理論分析出發(fā)，介紹單元電路的基本功能和輸入輸出具體的信號形式。在講授過程中，通過引入信號級的虛擬仿真實驗，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)對基礎(chǔ)理論的掌握。例如，在講解AM、DSB調(diào)制與解調(diào)一節(jié)時，可以利用matlab編程輸入調(diào)制信號、載波信號和已調(diào)波信號，并利用matlab GUI進(jìn)行界面設(shè)計，這樣可以直接利用matlab的畫圖功能直觀地顯示各種信號的時域和頻域形式，使學(xué)生更加深入理解和掌握單元電路的輸入輸出信號形式以及與各輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系。

2.單元電路的組成結(jié)構(gòu)—電路級虛擬仿真

單元電路講授的第二步是具體的電路結(jié)構(gòu)形式，在電路結(jié)構(gòu)的講解過程中，需要首先介紹電路的基本組成原理，但是在理論講授時缺乏電路的實際工作過程介紹，而引入基本的電路級仿真，不僅能直觀上觀測電路的組成和各關(guān)鍵點的信號形式，而且可以很方便地調(diào)節(jié)電路參數(shù)，直觀地觀察到輸出信號與電路的具體參數(shù)之間的直接關(guān)系，是理論分析教學(xué)的一個很好補(bǔ)充和驗證方式，同時也能加強(qiáng)學(xué)生對具體電路的理解和掌握。例如在高頻功率放大器實際電路的講解中，可以利用Multisim設(shè)計相應(yīng)的實際電路圖，如圖2所示，通過設(shè)置相應(yīng)的觀察點可以直接查看集電極電流形式，通過設(shè)置示波器可以直接觀察輸入信號和輸出信號的具體形式，如圖3所示。

三、結(jié)束語

經(jīng)過近幾年對高頻電子線路課程的實踐教學(xué)，逐漸發(fā)現(xiàn)了目前教學(xué)中存在的一些問題，并試圖通過引入立體虛擬技術(shù)以豐富傳統(tǒng)的教學(xué)方法，經(jīng)過上述改進(jìn)后的授課模式得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可和廣泛好評，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣顯著增加，對理論基礎(chǔ)知識的掌握更加牢固，分析問題和解決問題的能力也有了大幅度提升，通過這種系統(tǒng)地教學(xué)改革，形成立體仿真實驗—理論教學(xué)—實際實驗相結(jié)合的立體化教學(xué)方法，可獲得良好的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

本文受西北農(nóng)林科技大學(xué)教學(xué)改革研究項目資助（編號：JY1504043）

作者簡介：郭交，男，博士，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院副教授。研究方向：高頻電子線路、信息與信號處理、智能計算等領(lǐng)域的研究與教學(xué)；秦立峰，男，博士，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院講師。研究方向：信息處理與模式識別方面的教學(xué)與科研。