案例式“通信電子電路”模塊化實驗方案設(shè)計與實踐

余 萍，韓東升，李 然，李星蓉，賈惠彬

案例式“通信電子電路”模塊化實驗方案設(shè)計與實踐

余 萍，韓東升，李 然，李星蓉，賈惠彬

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071000）

通信電子電路是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，實踐性很強(qiáng)。課程組針對本課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)中學(xué)生被動按步驟實驗、主動性不強(qiáng)的問題，設(shè)計了案例式模塊化實驗方案。以無線收發(fā)系統(tǒng)各功能模塊電路案例為例，對案例式實驗教學(xué)進(jìn)行了探索，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗任務(wù)、運(yùn)用課程知識自行設(shè)計實驗方案和步驟，分析解決實際問題，以期提高教學(xué)效果。

案例教學(xué)法；通信電子電路；實驗教學(xué)；模塊化電路

案例式教學(xué)方式由美國哈佛商學(xué)院所倡導(dǎo)，所用案例都來自商業(yè)管理的真實情境或事件。國內(nèi)教育界從20世紀(jì)90年代開始探索案例教學(xué)法，并在醫(yī)學(xué)類、工商管理類、法學(xué)及公用政策類課程中廣泛應(yīng)用。但案例教學(xué)法在基礎(chǔ)理論性強(qiáng)、難點(diǎn)多、知識點(diǎn)比較復(fù)雜的課程中的應(yīng)用還較少，此類案例教學(xué)的難點(diǎn)在于真實案例的選擇和設(shè)計，需要選擇和設(shè)計出具有目的明確、客觀真實、綜合性強(qiáng)、結(jié)果多元化、實踐性突出等特點(diǎn)的案例[1-2]。近年來，不少高校在各類課程中進(jìn)行了案例式教學(xué)的嘗試[3-6]。

“通信電子電路”是普通高校通信、電子信息類專業(yè)的必修課，是涉及高頻硬件電路，實踐性、應(yīng)用性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程中的電子電路功能種類多、概念抽象，一直以來就是一門教師難教、學(xué)生難學(xué)的課，多年來對該課程的各類教改研究主要是在傳統(tǒng)教學(xué)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行[7-10]?？傮w上來說，國內(nèi)的案例式教學(xué)還處于起步階段，將工程項目應(yīng)用于通信電子電路實驗教學(xué)是很好的嘗試[11]。本文針對該課程特點(diǎn)提煉課程基礎(chǔ)知識，設(shè)計了客觀真實、符合案例教學(xué)特點(diǎn)的通信電子電路基礎(chǔ)實驗?zāi)K，每個實驗?zāi)K構(gòu)成一個基礎(chǔ)性案例，各模塊又可組合成小系統(tǒng)進(jìn)而構(gòu)成綜合性案例，并將課堂教學(xué)與實驗教學(xué)緊密結(jié)合，幫助學(xué)生更深入地理解抽象概念，更好地掌握現(xiàn)代通信電路系統(tǒng)知識。

1 基礎(chǔ)性案例實驗方案設(shè)計

通信電子電路涉及通信系統(tǒng)復(fù)雜的概念和通信技術(shù)龐大的體系，各電路功能、類型及規(guī)模千差萬別。由于學(xué)生的硬件能力總體比較薄弱，需要對課程涉及的諸多知識點(diǎn)進(jìn)行梳理和凝練。

通信電子電路以無線收發(fā)系統(tǒng)為主線[12]，其功能模塊電路包括濾波器、選頻放大器、混頻器、振蕩器、調(diào)制與解調(diào)器、高頻諧振功放、鎖相環(huán)、頻率合成等，每個功能模塊電路都包含若干知識點(diǎn)，如對無線接收系統(tǒng)指標(biāo)中噪聲系數(shù)和靈敏度概念，以及涉及對系統(tǒng)構(gòu)成方案中加入混頻、選頻放大、解調(diào)等后續(xù)模塊電路的必要性的理解；對高通、低通及帶通濾波器的作用的理解，涉及不同信息的處理需求；對帶通濾波器的中心頻率、帶寬、矩形系數(shù)等指標(biāo)如何確立問題，在混頻、調(diào)制與解調(diào)、選頻放大等各類功能電路設(shè)計中都有所涉及。因此，面向全體學(xué)生的基礎(chǔ)性案例實驗“通信電子電路”，不僅在功能上需要覆蓋諸多知識點(diǎn)，實驗板本身也應(yīng)能滿足進(jìn)行反復(fù)實驗的需求。

1.1 基礎(chǔ)性案例實驗板基本要求

實驗系統(tǒng)由若干塊實驗板組成，每塊實驗板上包含不同功能的模塊化案例電路，各模塊電路均有獨(dú)立的輸入輸出接口，且具有如下特點(diǎn)：

（1）各實驗板可由多名學(xué)生同時進(jìn)行獨(dú)立實驗，各實驗板既可獨(dú)立供電，又可與其他實驗板連接形成串聯(lián)供電，以滿足單個學(xué)生用多塊實驗板組建系統(tǒng)實驗。進(jìn)行系統(tǒng)實驗時，可根據(jù)實驗任務(wù)要求選擇各模塊電路相互組合連接，能夠滿足相互連接時的信號匹配要求。電路中還相應(yīng)地設(shè)置了方便儀器連接的實驗測試點(diǎn)，方便進(jìn)行系統(tǒng)實驗。

（2）實驗板中單元模塊電路的重要知識點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)是開放的，學(xué)生能夠?qū)﹄娐穮?shù)進(jìn)行插拔更換或微調(diào)，以實現(xiàn)最小功能的基礎(chǔ)案例實驗。

（3）可選取不同功能模塊案例電路，使之相互連接后組合成調(diào)頻、調(diào)幅無線收發(fā)系統(tǒng)。中心頻率點(diǎn)可設(shè)置為20個以上的不同頻率點(diǎn)，能夠確保各實驗小組在進(jìn)行收發(fā)系統(tǒng)實驗時信號不受干擾。

此外，實驗系統(tǒng)電路中涉及的與頻率及負(fù)載變化相關(guān)的電阻、電容、電感等元件可插拔，頻率及幅度微調(diào)時所涉及的可變器件應(yīng)經(jīng)久耐用且調(diào)試方便，元件庫板中的元件應(yīng)能滿足經(jīng)典實驗參數(shù)要求。

1.2 基礎(chǔ)性案例實驗方案

基礎(chǔ)性案例實驗方案在功能上應(yīng)能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)對主要知識點(diǎn)的運(yùn)用，學(xué)會電子電路測量及調(diào)試方法。根據(jù)通信收發(fā)系統(tǒng)各功能模塊及相關(guān)電路尺寸，設(shè)計了如下實驗板模塊。

1.2.1 小信號調(diào)諧電路實驗板

小信號調(diào)諧電路板上包括單調(diào)諧回路諧振放大器、雙調(diào)諧回路諧振放大器、二極管檢波頭及串/并聯(lián)諧振電路等4個獨(dú)立的電路模塊。其中單調(diào)諧回路諧振放大器和雙調(diào)諧回路諧振放大器是實驗的主要電路，放大器偏置電路及諧振回路元件全部設(shè)置成可插拔，學(xué)生可根據(jù)設(shè)計需要靈活設(shè)置。二極管檢波頭是實驗輔助電路，學(xué)生可在無掃頻儀或網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀條件下，借助檢波頭、示波器及具有掃頻信號輸出功能的信號發(fā)生器自行搭建幅頻特性測量方案。

小信號調(diào)諧電路實驗板作為接收系統(tǒng)的前端電路，中心頻率點(diǎn)在6~12 MHz范圍內(nèi)可連續(xù)設(shè)置，可設(shè)置20個以上的不同頻率點(diǎn)。實驗信號不僅可通過有線直接輸入，還設(shè)置了拉桿天線接口，便于無線信號輸入，滿足無線接收系統(tǒng)實驗需求。

1.2.2 振蕩器電路實驗板

振蕩器電路實驗板包括皮爾斯晶體振蕩電路、LC振蕩器電路和語音放大電路等3個電路模塊。LC振蕩器電路可組成克拉潑振蕩電路或西勒振蕩電路2種形式。本實驗板可對通信系統(tǒng)中的振蕩頻率源電路進(jìn)行設(shè)計調(diào)測實驗，相應(yīng)的電路靜態(tài)工作點(diǎn)和頻率器件可根據(jù)需求靈活設(shè)置，振蕩電路模塊輸出信號也可作為其他電路中的信號源。本實驗板中的語音放大電路是系統(tǒng)實驗的輔助模塊，為調(diào)制輸入和解調(diào)輸出提供低頻信號放大，包括麥克風(fēng)放大和揚(yáng)聲器放大2個獨(dú)立小模塊，除能接入儀器音頻信號外，也可外接麥克風(fēng)及其他聲源信號，內(nèi)置揚(yáng)聲器可播放音頻信號。

1.2.3 功率放大、調(diào)幅與解調(diào)電路實驗板

功率放大、調(diào)幅與解調(diào)電路實驗板包括丙（C）類功率放大電路/基極調(diào)幅電路、二極管檢波電路、乘法器集成調(diào)幅電路和集成解調(diào)電路等4個電路模塊。本實驗板可對通信發(fā)送系統(tǒng)中的幅度調(diào)制、高頻功率放大及接收系統(tǒng)中的幅度解調(diào)電路進(jìn)行調(diào)測實驗，還可根據(jù)實驗需求靈活設(shè)置實驗中的載波發(fā)射頻率和功率，可在6~12 MHz范圍內(nèi)連續(xù)設(shè)置20個以上的不同的中心頻率點(diǎn)。

丙（C）類功率放大電路與基極調(diào)幅電路組合在一起，可通過調(diào)制信號是否接入切換或組合這2種電路，丙（C）類功率放大電路輸出端信號不僅可通過有線直接輸出，還設(shè)置了拉桿天線接口，便于無線信號輸出，滿足無線發(fā)送系統(tǒng)實驗需求。二極管檢波電路中的檢波負(fù)載均可靈活設(shè)置，便于學(xué)生進(jìn)行自行設(shè)計。乘法器集成調(diào)幅電路可根據(jù)學(xué)生調(diào)測設(shè)計輸出AM波、DSB波和SSB波，集成解調(diào)電路可設(shè)計對AM波、DSB波和SSB波進(jìn)行解調(diào)。

1.2.4 鎖相環(huán)、調(diào)頻與解調(diào)電路實驗板

鎖相環(huán)、調(diào)頻與解調(diào)電路實驗板，包括變?nèi)荻O管調(diào)頻振蕩電路、斜率鑒頻/相位鑒頻電路、頻率合成與調(diào)頻電路、鎖相環(huán)與解調(diào)電路等4個電路模塊。本實驗板可對通信發(fā)送系統(tǒng)中的頻率調(diào)制電路、接收系統(tǒng)中的頻率解調(diào)電路、鎖相環(huán)應(yīng)用及頻率合成等進(jìn)行調(diào)測實驗。

變?nèi)荻O管調(diào)頻振蕩電路可設(shè)置調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的偏壓，從而改變其振蕩頻率，中心頻率點(diǎn)在6~ 12 MHz范圍內(nèi)可連續(xù)設(shè)置20個以上的不同的中心頻率點(diǎn)。在斜率鑒頻/相位鑒頻電路中，學(xué)生可通過不同連接方式使電路切換成相位鑒頻或斜率鑒頻模式。在鎖相頻率合成電路中，由二級計數(shù)器CD4522組成分頻器，分頻系數(shù)由撥碼開關(guān)以“8421”碼方式設(shè)定，根據(jù)不同設(shè)定，可在輸出端獲得參考頻率整數(shù)倍的合成頻率（輸出頻率不超出鎖相環(huán)VCO輸出頻率范圍時）。在鎖相環(huán)與調(diào)頻解調(diào)電路中，學(xué)生可自行設(shè)計測量方法，測量鎖相環(huán)捕捉帶或同步帶，并搭建鎖相調(diào)頻解調(diào)電路。

1.2.5 混頻器、中放電路板

混頻器、中放電路板包括三極管混頻電路、集成混頻電路、中頻放大電路和自動增益控制電路等4個模塊電路。中頻放大電路中設(shè)置了AGC信號接入點(diǎn)，可將自動增益控制電路輸出信號接入。三極管混頻電路和乘法器集成混頻電路中的本振信號均可從外部接入，保證在實驗頻段輸出中頻信號，中頻頻率設(shè)置為2.5 MHz。

1.2.6 元件庫板

元件庫板上備有可插拔的各類元件供實驗所需，包括三極管、電阻、電容、電感等器件，其中的雙聯(lián)可變電容為20~200 pF可調(diào)，如圖1所示。

圖1 元件庫板

以上基礎(chǔ)性案例實驗方案可通過調(diào)試（裝配）、測量等工程實訓(xùn)（實驗）過程，使學(xué)生理解通信電子電路功能模塊電路的基本原理，理解無線射頻通信系統(tǒng)的基本組成，學(xué)習(xí)相應(yīng)射頻測試儀器的使用方法，并逐步學(xué)會分析問題和解決問題的能力，最終理解無線射頻語音通信的原理和應(yīng)用。

1.3 基礎(chǔ)性案例實驗成績評測方法

對學(xué)生的實驗效果評價依據(jù)實驗任務(wù)完成情況確定。教師根據(jù)基礎(chǔ)性實驗方案制定各模塊電路實驗任務(wù)書，學(xué)生根據(jù)實驗任務(wù)書內(nèi)容設(shè)計實驗方案及選定所需的器件和儀器，并在實驗方案中標(biāo)明實驗調(diào)試點(diǎn)，預(yù)測所標(biāo)明的各信號調(diào)試點(diǎn)的波形、頻譜或幅值等參數(shù)，再根據(jù)每項實驗內(nèi)容設(shè)計制定實驗條件、步驟及實驗手段，最后記錄實驗中出現(xiàn)的問題、電路故障及解決辦法。

基礎(chǔ)性案例實驗板放置在單工位一體收納箱中，同時配備實驗所需的所有測試線、連接線、天線、麥克風(fēng)、理線架等配套產(chǎn)品，實驗結(jié)束后，應(yīng)將物品在箱內(nèi)有序歸位，如圖2所示。

圖2 實驗板收納箱

2 系統(tǒng)性案例實驗方案

2.1 系統(tǒng)性案例實驗搭建

為加強(qiáng)與基礎(chǔ)性案例實驗的緊密聯(lián)系，系統(tǒng)性案例實驗圍繞模塊化基礎(chǔ)性案例實驗電路搭建。基礎(chǔ)性案例實驗各模塊電路包括調(diào)頻通信收發(fā)系統(tǒng)和調(diào)幅通信收發(fā)系統(tǒng)兩大核心部分，學(xué)生可設(shè)計搭建類似幅度調(diào)制與解調(diào)、頻率調(diào)制與解調(diào)等局部小系統(tǒng)，進(jìn)行指標(biāo)調(diào)試實驗；也可搭建有線或無線收發(fā)系統(tǒng)，既可自發(fā)自收，也可與其他組彼此相互收發(fā)，進(jìn)行整機(jī)實驗指標(biāo)調(diào)試實驗。各實驗組可在不同頻率上分頭工作，確保各組進(jìn)行收發(fā)系統(tǒng)實驗時信號不受干擾。

調(diào)幅通信收發(fā)系統(tǒng)由語音輸入電路（含麥克風(fēng)接口）、基極調(diào)幅電路、丙類功率放大器電路、發(fā)射電路、LC振蕩器電路（提供載波，頻率可調(diào)）組成發(fā)射電路部分；由接收天線、小信號諧振放大器電路、混頻器電路、晶體振蕩器電路（提供本振信號）、中頻放大器電路（含自動增益控制）、大信號檢波電路、低頻功放電路（含揚(yáng)聲器）組成接收部分。

調(diào)頻通信收發(fā)系統(tǒng)由語音輸入電路、變?nèi)荻O管調(diào)頻電路（此部分的中心頻率與調(diào)幅波載波一致）、放大器與發(fā)射電路組成發(fā)射電路部分；由接收天線、諧振放大器電路、混頻器電路、晶體振蕩器電路（提供本振信號）、中頻放大器電路（含自動增益控制）、鑒頻器電路、低頻功放電路組成接收部分。

對無線調(diào)幅及調(diào)頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)性實驗的目的是強(qiáng)化無線通信系統(tǒng)概念，了解完整的通信系統(tǒng)的組成及各部分功能。通過將各獨(dú)立的功能模塊相連接完成信息傳遞，并根據(jù)實際傳輸效果，對通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量做出客觀、正確的評判。

2.2 系統(tǒng)性案例實驗成績評測方法

對系統(tǒng)性案例實驗成績的評測依據(jù)整機(jī)系統(tǒng)無線收發(fā)效果確定。學(xué)生根據(jù)實驗任務(wù)書要求搭建整機(jī)系統(tǒng)，并對整機(jī)系統(tǒng)各相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)試，對無線信號收發(fā)優(yōu)劣狀況、信號質(zhì)量、通信距離等給出結(jié)論。

對每個學(xué)生的實驗成績評定，還要依據(jù)最終的實驗考試結(jié)果。實驗考試采用了學(xué)生考試機(jī)。在學(xué)生考試機(jī)上，將基礎(chǔ)性案例實驗?zāi)K分功能集成在一個大底板上，每個模塊電路均可設(shè)置若干故障，包括頻率、工作點(diǎn)、幅度、放大等各類故障，還可將多種故障進(jìn)行組合。學(xué)生考試機(jī)狀態(tài)由教師出題機(jī)無線發(fā)送設(shè)置，包括考試時間、故障設(shè)置等。教師在考試系統(tǒng)上能夠看到學(xué)生在考試機(jī)上的實驗狀態(tài)，教師出題機(jī)部分界面如圖3所示。學(xué)生考試機(jī)上的故障排除后，就可連接成整機(jī)實現(xiàn)無線收發(fā)。在考試機(jī)屏幕上，學(xué)生可看到需排除的故障數(shù)以及是否排除正確、剩余時間、參考成績等信息，時間用盡則不能再行操作，考試自動終止。

3 結(jié)語

本文根據(jù)“通信電子電路”課程特點(diǎn)，設(shè)計了基礎(chǔ)性案例實驗?zāi)K化電路，各獨(dú)立的模塊化功能電路還可搭建無線收發(fā)整機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)性案例實驗。實驗過程中，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求完全自行設(shè)計實驗方案和步驟，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。采用學(xué)生考試機(jī)實驗考核方式，有利于學(xué)生在實驗過程中深入探究電路原理和實驗方法。通過2015級和2016級學(xué)生的實驗教學(xué)實施，教學(xué)效果明顯。學(xué)生從以往按給定步驟被動機(jī)械地進(jìn)行實驗轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃舆M(jìn)行實驗方案設(shè)計，探究意識大大增強(qiáng)。當(dāng)完成整機(jī)系統(tǒng)實驗，從喇叭中聽到發(fā)送端發(fā)送的音頻信號時，學(xué)生的成就感和愉悅心情使他們的實驗興趣大大提升。在進(jìn)一步理解課程內(nèi)容的同時，提高了搭建調(diào)試高頻硬件電路的動手能力。通過實踐還認(rèn)識到，僅有基礎(chǔ)性或系統(tǒng)性案例實驗還不夠，還需要根據(jù)現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展，開發(fā)拓展性實驗案例，為更高層次的創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

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Design and practice of case-based modular experiment scheme for communication electronic circuit

YU Ping, HAN Dongsheng, LI Ran, LI Xingrong, JIA Huibin

(Department of Electronic and Communication Engineering, North China Power University, Baoding 071000, China)

The Communication Electronic Circuit is a basic course of the Electronic Information specialty, which is highly practical. In view of the problem of students’ passive step-by-step experiment and lack of initiative in the traditional experimental teaching of this course, the course group has designed a case-based modular experiment scheme. By taking the circuit cases of each functional module of wireless transceiver system as an example, this paper explores upon the case-based experiment teaching, guides the students to design the scheme and steps of the experiment by themselves according to the experiment task by using the course knowledge, and to analyse and solve the practical problems in order to improve the teaching effect.

case teaching; communication electronic circuit; experimental teaching; modular circuit

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0174-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.041

2019-04-19

河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2018GJJG401）；河北省高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2017CXCY135）

余萍（1963—），女，浙江杭州，學(xué)士，副教授，研究方向為圖像處理、無線通信。E-mail: 1730624000@qq.com