基于Multisim和LabVIEW的“高頻電子線路”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

李瑜慶?田娟

摘? 要：“高頻電子線路”課程是電子信息工程專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課，具有難學(xué)、難教的特點(diǎn)。文章在總結(jié)多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從培養(yǎng)學(xué)生工程化實(shí)踐能力入手，采用虛實(shí)結(jié)合的方法，構(gòu)建基于Multisim和LabVIEW的仿真實(shí)驗(yàn)，制定工程化教學(xué)模式。結(jié)合工程實(shí)例，采用專業(yè)仿真軟件輔助教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方法，提高了教學(xué)質(zhì)量，降低了課程學(xué)習(xí)難度，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：工程化;Multisim和LabVIEW;實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：TP391.9;G434 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）06-0183-04

Reform and Practice of Experimental Teaching of “High Frequency Electronic Circuit” Course Based on Multisim and LabVIEW

LI Yuqing， TIAN Juan

（School of Electronics and Electrical Engineering， Bengbu University， Bengbu? 233030， China）

Abstract： “High-frequency Electronic Circuit” course is a compulsory course for students majoring in electronic information engineering， which is difficult to learn and teach. On the basis of summarizing many years of practical teaching experience， this paper starts from cultivating students’ engineering practice ability， adopts the method of combining virtual with real， constructs simulation experiment based on Multisim and LabVIEW， and formulates the engineering teaching mode. Combined with engineering examples， professional simulation software is used to assist teaching， improve teaching methods， improve teaching quality， reduce the difficulty of course learning， and strengthen the cultivation of students’ engineering practice ability.

Keywords： engineering; Multisim and LabVIEW; practice ability

0? 引? 言

對(duì)普通高校電子信息類學(xué)生而言，“高頻電子線路”課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程是“電路分析”“模擬電子技術(shù)”的后續(xù)課程，具有一定的深度與難度，實(shí)踐性強(qiáng)，該課程的學(xué)習(xí)效果將對(duì)后續(xù)“通信原理”“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”等課程的學(xué)習(xí)以及大學(xué)生電子競(jìng)賽等學(xué)科專業(yè)競(jìng)賽產(chǎn)生較大的影響。在新的“三中心”教學(xué)范式（以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以學(xué)習(xí)效果為中心）中強(qiáng)調(diào)了學(xué)生學(xué)習(xí)成果或獲得能力的中心地位，這也是OBE教育理念的核心思想;當(dāng)前，通信技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，迫切需要大量既有理論基礎(chǔ)又有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的科技人才，所以提高學(xué)生對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)效果迫在眉睫。

在許多普通高校，該課程的實(shí)驗(yàn)通常是在實(shí)驗(yàn)箱上完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行相關(guān)的操作，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄、現(xiàn)象等的驗(yàn)證，不利于學(xué)生對(duì)相關(guān)高頻知識(shí)的掌握及其實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)與提高。長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐使我們認(rèn)識(shí)到在該課程的教學(xué)過(guò)程中要以基本理論為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)今社會(huì)的實(shí)踐應(yīng)用提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，扎實(shí)掌握重要知識(shí)點(diǎn)及其具體應(yīng)用，這對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力具有十分重要的意義[1]。

1? 實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)的必要性

傳統(tǒng)形式的課程實(shí)驗(yàn)主要包括小信號(hào)調(diào)諧放大、高頻功率放大、振蕩電路、幅度調(diào)制與解調(diào)、角度調(diào)制與解調(diào)以及鎖相環(huán)路等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要存在以下幾個(gè)方面的不足。

1.1? 學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)興趣不高

教師在傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)授課中，普遍采用先講解實(shí)驗(yàn)原理和要求，再演示具體的操作步驟，最后學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書來(lái)完成實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)完全屬于手把手教學(xué)模式。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生只是機(jī)械地參照老師的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣都沒(méi)有被調(diào)動(dòng)起來(lái)。對(duì)于多數(shù)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)電路原理是已知的，元器件也是焊接好的，不宜調(diào)整，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于學(xué)生對(duì)原理知識(shí)掌握不牢，容易出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題（如元器件損壞、出現(xiàn)非理想波形等），學(xué)生對(duì)相關(guān)電路本質(zhì)原理的理解不透徹、對(duì)該電路的學(xué)習(xí)深度不夠，往往不知道從何處下手解決問(wèn)題，使學(xué)生在兩個(gè)課時(shí)的時(shí)間都不能完成實(shí)驗(yàn)，這將會(huì)使學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性嚴(yán)重受挫。

1.2? 對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求比較高

該課程的實(shí)驗(yàn)多采用實(shí)驗(yàn)箱，并借助示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀等輔助設(shè)備來(lái)完成。通常，實(shí)驗(yàn)箱由小信號(hào)調(diào)諧放大、晶體振蕩器、幅度調(diào)制與解調(diào)、二極管包絡(luò)檢波、頻率調(diào)制與解調(diào)、鎖相環(huán)路等模塊構(gòu)成，一般需要一個(gè)或多個(gè)模塊電路配合完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[2]。示波器、掃頻儀等設(shè)備顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生可直接或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相較于模擬電子線路，該課程實(shí)驗(yàn)處理的信號(hào)頻率要高很多，信道、各種元器件等容易引入噪聲干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)波形不夠理想，影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察分析[3]。

1.3? 實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

在一般的高校中，該課程的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證類為主，操作這種實(shí)驗(yàn)的目的是為了讓學(xué)生比較直觀、快速地理解抽象難懂的理論，但事實(shí)上取得的效果往往也是十分有限的。單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)成的、固定的電路板上開(kāi)展的，學(xué)生很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)踐能力也得不到提高。此類實(shí)驗(yàn)在電路分析、模擬電子技術(shù)等課程中開(kāi)展了很多，基本的電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器等儀器儀表學(xué)生已能較熟練地使用，學(xué)生在這方面的技能也不會(huì)得到明顯的提高。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)線路連接簡(jiǎn)單，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟和方法操作，很容易觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及得到測(cè)量結(jié)果[4]。這種實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是固定的，不能引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生想象力、創(chuàng)造力這種深層次的目標(biāo)更是無(wú)從談起，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，實(shí)現(xiàn)不了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。

1.4? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不符合教改發(fā)展方向

傳統(tǒng)單純性的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式是被動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)步驟固定，操作方式單一，大部分學(xué)生秉持“老師教什么，學(xué)生學(xué)什么，老師怎么教，學(xué)生就怎么樣做”的心態(tài)，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。教學(xué)模式單一，學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)熱情，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和科研能力的培養(yǎng)均有限。綜上，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已無(wú)法滿足當(dāng)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要[5，6]。

2? 基于 Multisim和LabVIEW的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

2.1? 虛實(shí)結(jié)合提高教學(xué)效果

將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c借助虛擬仿真軟件Multisim和LabVIEW的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，利用Multisim和LabVIEW搭建高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例，學(xué)生可進(jìn)行高頻電子實(shí)驗(yàn)過(guò)程驗(yàn)證，可開(kāi)展相關(guān)電路的仿真設(shè)計(jì)等，還可以利用LabVIEW與Multisim的交互仿真功能，實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。利用軟件中提供的各種儀器儀表、分析方法等，學(xué)生可以快速高效地掌握教學(xué)計(jì)劃中的基本概念、原理知識(shí)等，熟悉各種儀器設(shè)備的使用方法，開(kāi)拓學(xué)生思維，提高其學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣。

例如在二極管峰值包絡(luò)檢波內(nèi)容的講解過(guò)程中，學(xué)生不容易理解理論課中所涉及的惰性失真和負(fù)峰切割失真的緣由，利用Multisim仿真峰值包絡(luò)檢波就能使學(xué)生直觀地觀察到檢波電路中電阻改變時(shí)對(duì)檢波輸出的影響，在軟件上的操作也比較簡(jiǎn)單，能很好地解決上述問(wèn)題。其仿真電路如圖1所示，電路中模擬乘法器A1產(chǎn)生AM條幅波，送入二極管檢波電路中，并且輸入信號(hào)大于0.5 V。分別利用示波器CH1、CH2觀察AM及檢波輸出波形。雙擊示波器圖標(biāo)即可得到如圖2所示的AM及檢波輸出波形。當(dāng)增加R2到70%（14 kΩ）時(shí)，可以看出檢波器輸出波形已經(jīng)有較明顯的惰性失真出現(xiàn);當(dāng)R2增大到90%（18 kΩ）時(shí)，失真波形如圖3（a）所示。當(dāng)R2減小到50%，輸出將恢復(fù)正弦波;當(dāng)R3減小到8%左右時(shí)，輸出呈現(xiàn)較明顯的負(fù)峰切割失真;當(dāng)R3減小到2%時(shí)，其負(fù)峰切割失真如圖3（b）所示。

在相位調(diào)制解調(diào)講解的過(guò)程中，學(xué)生不容易理解其調(diào)制解調(diào)中波形、頻譜等的具體形式是怎樣的，利用LabVIEW就能較好地解決上述問(wèn)題，也便于學(xué)生從模塊級(jí)理解調(diào)制解調(diào)的過(guò)程及具體內(nèi)涵。圖4為相位調(diào)制解調(diào)前面板，圖5為相位調(diào)制解調(diào)后面板程序。

2.2? 拓展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

“高頻電子線路”是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，現(xiàn)實(shí)生活中常用的對(duì)講機(jī)、收音機(jī)、廣播、電視等設(shè)備都是該課程所涉及內(nèi)容的具體應(yīng)用，如無(wú)線電信號(hào)的傳播、小信號(hào)調(diào)諧放大、功率放大、調(diào)制與解調(diào)、混頻器、振蕩器等。而“幅度、角度信號(hào)的調(diào)制”“幅度、角度信號(hào)的解調(diào)”“高頻功率放大器”“高頻振蕩器”“混頻器”等內(nèi)容則是本門課程的主要內(nèi)容，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)內(nèi)容，在學(xué)生的學(xué)科專業(yè)競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中多有涉及，如“功率放大器的設(shè)計(jì)”“遙控小車（飛機(jī)）的制作”“刷卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“調(diào)幅信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)電路”“遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置”等。利用Multisim和LabVIEW軟件搭建相關(guān)功能電路，強(qiáng)化對(duì)相關(guān)功能電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試等，進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)電路的功能和效果，并拓展“簡(jiǎn)易調(diào)頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)”“簡(jiǎn)易調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計(jì)”“小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)”“超外差調(diào)幅接收機(jī)設(shè)計(jì)”“寬帶高頻功率放大器設(shè)計(jì)”“窄帶高頻功率放大器設(shè)計(jì)”等設(shè)計(jì)性、綜合性及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。確定驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主體、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為延伸的實(shí)驗(yàn)方案，著力提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，切實(shí)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。通過(guò)本門課程的實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的實(shí)際操作、工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

3? 結(jié)? 論

“高頻電子線路”課程既難教更難學(xué)，而掌握該課程相關(guān)理論知識(shí)，提高相關(guān)的技能、工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力對(duì)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及專業(yè)方向的發(fā)展至關(guān)重要。在課程教學(xué)過(guò)程中引入工程實(shí)例和仿真軟件等輔助教學(xué)，開(kāi)展設(shè)計(jì)性、綜合性及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)不斷探索新的教學(xué)方法，以提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

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作者簡(jiǎn)介：李瑜慶（1985—），男，漢族，河南周口人，講師，碩士研究生，研究方向：光纖光柵傳感、測(cè)控技術(shù)。

收稿日期：2022-02-06

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳一般教學(xué)研究項(xiàng)目（2017jyxm0552，2019jyxm0477）;教育部協(xié)同育人項(xiàng)目（202102371035）;大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（S202011305014）