啟發(fā)引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)在通信課程中的應(yīng)用

張立立 馬國強(qiáng) 張振坤 劉軍

摘? 要：由于通信課程理論知識(shí)非常抽象，在課程教學(xué)中學(xué)生印象不夠深刻。也為了彌補(bǔ)課堂教學(xué)模式單一的不足，課程中采取以Multisim仿真實(shí)驗(yàn)案例的方式，配合啟發(fā)引導(dǎo)式教學(xué)方法。使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)的理解原理知識(shí)，通過理論計(jì)算在實(shí)踐中改進(jìn)電路，使學(xué)生明白其改進(jìn)方法和改進(jìn)過程，并從中受益。文章以具體的三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)仿真實(shí)驗(yàn)為例，從電容三點(diǎn)式逐漸引出克拉潑振蕩器、西勒振蕩器，并對(duì)振蕩器的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。這對(duì)于理論的理解和日后深入學(xué)習(xí)都有很大幫助。此方式經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生積極性高，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：三點(diǎn)式振蕩器;Multisim;仿真;通信

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2019）25-0133-03

Abstract： Because the theoretical knowledge of the communication course is very abstract， the students can not understand very well in the course teaching. In order to make up for the weaknesses of the traditional course teaching inside the classroom， the Multisim simulation experiment case is adopted in the teaching process， combined with the inspiration-oriented teaching method. It enables students to understand the principle knowledge step by step， optimize the circuit in practice through theoretical calculations， have a deeper comprehension of optimization method and process and benefit from it. In this paper， taking the optimizing simulation experiment of the three-point oscillator as an example， along with the Clapp oscillator and the Seiler oscillator which are extracted from the three-point capacitor gradually， we hope to instruct students to identify and avoid the defects of the oscillator. This is very helpful for students to understand the theory and study further in the future. After several years of teaching practice， students have shown their enthusiasm to this teaching method， which allows us to obtain good teaching results in communication course.

Keywords： Three-Point Oscillator; Multisim; cimulation; communication

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]的發(fā)展，要求任課教師利用多種信息化教育技術(shù)手段[2]應(yīng)用在教學(xué)中。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，往往都是根據(jù)教科書上的章節(jié)進(jìn)行知識(shí)內(nèi)容的講解，學(xué)生不能將各單元內(nèi)容串聯(lián)起來，并關(guān)注到各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。因此本文主要關(guān)注利用“互聯(lián)網(wǎng)+”背景[3]下新的教學(xué)方法，以學(xué)生為主體，教師為輔，教師的作用從主導(dǎo)變?yōu)橐龑?dǎo)[4]，本文以三點(diǎn)式振蕩器改進(jìn)過程為例，理論分析各電路的利弊，逐步改進(jìn)電路引導(dǎo)出后面的知識(shí)點(diǎn)。利用Multisim[5]進(jìn)行電路仿真，介紹了從理論分析、電路繪制及調(diào)試驗(yàn)收等方面的整體學(xué)習(xí)過程，通過觀察各種情況下的波形以及測(cè)量數(shù)據(jù)的變化，與理論知識(shí)相互驗(yàn)證，讓學(xué)生深入理解其改進(jìn)原理并能夠獨(dú)立完成仿真分析，整體實(shí)驗(yàn)效果良好?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)與教育相結(jié)合[6]，必然帶來教學(xué)方式和學(xué)習(xí)效果的新變革。

一、案例課程設(shè)計(jì)要求

振蕩器內(nèi)容設(shè)計(jì)，是《通信電子線路》課程中，接收機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)學(xué)生所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)了系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過由淺入深的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，能夠明確學(xué)生的學(xué)習(xí)方向，引導(dǎo)學(xué)生思考其背后的原理與本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深入探討了三點(diǎn)式振蕩器設(shè)計(jì)及其改進(jìn)電路原理現(xiàn)象的分析，鞏固了學(xué)生的知識(shí)，適合于所有學(xué)生學(xué)習(xí)。

總體任務(wù)：利用Multisim仿真軟件，采用教材上的原理知識(shí)，選擇三點(diǎn)式振蕩器、克拉潑電路、西勒電路，以及相關(guān)改進(jìn)電路進(jìn)行仿真分析，并掌握幾種電路的原理知識(shí)和改進(jìn)方法。

基本內(nèi)容：（1）理解三點(diǎn)式振蕩器的振幅平衡條件，相位平衡條件;（2）在Multisim中對(duì)電容三點(diǎn)式振蕩器進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)，分析電路特性;（3）仿真克拉潑電路，對(duì)比電容三點(diǎn)式電路進(jìn)行性能分析;（4）仿真西勒電路，對(duì)比電容三點(diǎn)式電路進(jìn)行性能分析;

擴(kuò)展內(nèi)容：（1）對(duì)每種振蕩器進(jìn)行分析，通過循序漸進(jìn)改變電路方式加深對(duì)振蕩器電路的理解;（2）分析改進(jìn)電路對(duì)電路性能的影響;（3）增加射極跟隨器，增強(qiáng)帶負(fù)載能力。

二、案例課程教學(xué)過程

啟發(fā)引導(dǎo)式案例教學(xué)方式執(zhí)行過程中，首先要講授振蕩器電路的定義及原理，以及波形產(chǎn)生過程：接通電源后，各種電擾動(dòng)→放大→選頻→正反饋→再放大→再正反饋→振蕩器輸出電壓↑→器件進(jìn)入非線性區(qū)→穩(wěn)幅振蕩。

其次，分別針對(duì)電容三點(diǎn)式振蕩器、克拉潑振蕩器和西勒振蕩器進(jìn)行原理介紹和各類電路的優(yōu)缺點(diǎn)介紹，并講授清楚，振蕩器電路是如何一步步演進(jìn)和修改電路，以達(dá)到系統(tǒng)需要的性能。見表1所示。

根據(jù)以上電路分析，為了提高帶負(fù)載能力和輸出信號(hào)幅度，對(duì)西勒電路進(jìn)行改進(jìn)。西勒振蕩器改進(jìn)電路主要由三部分構(gòu)成：起能量放大作用的三極管放大器，三點(diǎn)式回路組成的正反饋網(wǎng)絡(luò)，射極跟隨器構(gòu)成的緩沖級(jí)，如圖1所示。

圖1為帶有射極跟隨器作為輸出緩沖級(jí)的西勒改進(jìn)振蕩電路。由射極跟隨器特點(diǎn)可知，射極跟隨器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)同相，保證了信號(hào)相位不會(huì)發(fā)生變化，只是信號(hào)強(qiáng)度增大。通過仿真軟件測(cè)量數(shù)據(jù)可知，由緩沖級(jí)輸出的正弦波振幅明顯高于由前端西勒振蕩電路直接輸出的信號(hào)強(qiáng)度。

對(duì)于射極跟隨器，輸入阻抗比較高，輸出阻抗比較大，所以適合作緩沖極，同時(shí)提高帶負(fù)載能力。

三、電路調(diào)試與驗(yàn)收

根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)內(nèi)容與分析比較，要求學(xué)生獨(dú)立完成每個(gè)電路仿真設(shè)計(jì)，并將測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析已報(bào)告形式展現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析過程如下：

（一）電容三點(diǎn)式振蕩仿真測(cè)試

仿真波形稍微有些失真，經(jīng)過計(jì)算，此振蕩電路的輸出振蕩頻率應(yīng)該為11MHz左右，但是實(shí)際仿真結(jié)果顯示為10.769MHz，與預(yù)期結(jié)果存在微小誤差。由分析可知，可能是極間電容的影響，因?yàn)樵韴D[7]中的C1、C2相對(duì)不是很大，極間電容影響就有點(diǎn)大了。除此之外，如果想增加振蕩頻率，就需要減小C1、C2，但是這樣又增加了極間電容的影響。

電路的缺點(diǎn)：振蕩回路工作頻率的改變，若用調(diào)C1或C2實(shí)現(xiàn)時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。使振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高，且起振速度較慢。

（二）克拉潑振蕩仿真測(cè)試

仿真克拉潑振蕩仿真電路并測(cè)試數(shù)據(jù)分析。

克拉潑電路增加了可變小電容，使得頻率調(diào)節(jié)比較方便，且極間電容的影響比較小，因?yàn)楦鶕?jù)電感、電容元器件計(jì)算，可得理想諧振頻率為15MHz左右，實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果頻率為15.19MHz。改進(jìn)后的電路波形比原電容三點(diǎn)式振蕩器穩(wěn)定度高了很多，這是因?yàn)榫w管一部分接入的形式與回路連接，接入系數(shù)p越小，耦合越弱。減弱了晶體管對(duì)回路的影響。

同樣調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可知克拉潑振蕩特點(diǎn)：

（1）振蕩頻率改變不影響反饋系數(shù);

（2）振蕩幅度比較穩(wěn)定;

（3）可調(diào)節(jié)電路中的串聯(lián)電容，即可在一定范圍內(nèi)調(diào)整其振蕩頻率。

（三）西勒振蕩仿真測(cè)試

仿真西勒振蕩仿真電路并測(cè)試數(shù)據(jù)分析。根據(jù)仿真電路中的電感、電容元件取值，理論計(jì)算諧振頻率為22MHz左右，實(shí)際仿真結(jié)果21.429MHz，相差不多，頻率結(jié)果可認(rèn)為近似相等。西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑相同，頻率可調(diào)節(jié)范圍相比克拉潑電路有擴(kuò)大，振蕩頻率可以較高，且波形較為穩(wěn)定。

同樣調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可知西勒振蕩器特點(diǎn)：

（1）振蕩幅度比較穩(wěn)定，起振速度有改進(jìn);

（2）振蕩頻率可以較高，做可變頻率振蕩器時(shí)其波段覆蓋系數(shù)較大，波段范圍內(nèi)輸出電壓幅度比較平穩(wěn)。

（四）西勒改進(jìn)振蕩仿真測(cè)試

對(duì)改進(jìn)后的西勒電路進(jìn)行仿真測(cè)試如圖2所示。由示波器觀察數(shù)據(jù)可知，示波器A通道（幅度低的波形）表示直接由前端西勒振蕩電路產(chǎn)生輸出的正弦波，示波器B通道（幅度高的波形）表示經(jīng)過射極跟隨器緩沖級(jí)后再輸出的正弦信號(hào)。由示波器波形可知，經(jīng)過射極跟隨器的正弦波的信號(hào)幅度明顯增大，進(jìn)而能夠提高后端帶負(fù)載的能力。

四、結(jié)束語

利用仿真實(shí)驗(yàn)輔助硬件教學(xué)方式實(shí)施了很多年，通過仿真實(shí)驗(yàn)的靈活性，能夠方便地改進(jìn)電路，對(duì)于循序漸進(jìn)地引出知識(shí)點(diǎn)的講解和學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)，提供了良好的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，極大地彌補(bǔ)了課堂教學(xué)模式單一的弊端，更排除了硬件異常所帶來的影響，為以后的電路設(shè)計(jì)、參與競(jìng)賽及科研活動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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