“高頻電子線路”仿真式案例教學的設計

冷 文

(天津大學 電氣自動化與信息工程學院,天津 300072)

“高頻電子線路”是電子信息類專業必修的學科基礎課[1],該課程教學過程中理論推導內容多,介紹的原理知識復雜,是學習難度較高的一門專業基礎課。而該課程實踐性強的特點也突出了配套實驗的重要性[2],目前“高頻電子線路”課程多采用基于實驗箱的驗證性實驗,但是缺乏將多項理論知識融合在一起的綜合性實驗教學。針對這一問題,案例式教學是目前很多教改項目采用的解決方法之一[3-4],它具有綜合性強和案例客觀真實的特點,對于激發學生的學習興趣,培養分析、解決問題能力極有益處[5-7]。

本文提出仿真式案例教學的背景是在完成高/低頻電子線路課程學習之后開設的電路仿真課程“電子線路機助分析”,該課程以仿真軟件Multisim為基礎,介紹該軟件的各種分析方法以及虛擬設備的使用[8]。本文介紹的案例是“電子線路機助分析”課程的大作業,更重要的是針對“高頻電子線路”課程的總結[9],即在高頻理論教學完成之后,借助計算機輔助分析方法,基于一個具體電路的分析將所學高頻理論知識進行涵蓋和回顧[10]。

1 案例的選擇

根據案例式教學綜合性強和客觀真實的特點,對于案例選擇標準的總結如下:①熟悉度強,與學生學習/生活距離近;②覆蓋面廣,盡可能涵蓋案例所針對課程的教學內容;③完整的實驗平臺,為學生完成案例以及后續的深入研究創造條件;④開放性強,教學需要有足夠的調整空間,為學生修改案例內容提供條件。

據此,本文選擇針對收音機電路的研究作為教學案例。雖然收音機早已不是當代大學生日常使用的電子產品,但是根據上述案例選擇標準,它具有一定的被選優勢:①收音機焊接是很多學校電子工藝實習內容,學生對其工作原理有一定的了解;②收音機框架包含了對無線信號接收處理的完整過程,能夠實現對高/低頻電子線路知識較大范圍的覆蓋;③本文所述案例是在Multisim平臺上開展的電路仿真分析,軟件所提供的分析方法和虛擬設備構成了完整的實驗平臺;④本案例教學過程中,除對收音機基本功能的仿真驗證之外,還可以充分發揮計算機輔助分析的優勢,將拆分電路、算法分析、信號源多元化構成以及豐富的測試設備等真實實驗不易實現的功能應用其中,為案例的開放性研究創造條件。

本案例與對應課程關系描述如下:對于“高頻電子線路”課程,通過電路的驗證仿真和調試,讓學生加深對選頻、混頻、中頻放大、低頻放大以及功率放大等教學內容的理解,特別是將理論知識應用到一個具體案例中,為學習一個完整電子系統提供非常好的實踐機會;對于“電子線路機助分析”課程,在電路的仿真和調試過程中,學生將學習到多種分析方法以及各類虛擬設備在真實工程設計中的應用情況。

2 案例的教學內容

為了與電子工藝實習的收音機保持一致,我們采用超外差收音機HX108電路為案例開展全面的分析[11-13]。根據軟件特點,仿真時間會隨著電路復雜程度大幅度增加,在保證仿真精度前提下,為了提高仿真效率,將HX108電路分割為高頻和低頻兩部分,如圖1所示,并根據分析需要和軟件特點進行了部分修改:①靈活的信號源設計,為實現不同仿真分析目的而設計不同的信號源;②對于在Multisim中不存在的器件(如晶體管9013和9018)采用替代器件,對于中周器件根據其所起作用采用子電路方式進行設計,振蕩線圈采用LTF-1系列參數、中頻變壓器采用TTF-2系列參數構造子電路模型;③在保證整體框架不變前提下,在一些細節處出于仿真目的進行微調。

(a) 高頻+中頻信號處理部分

如圖1所示,兩個電路的劃分也對應著下文介紹的電路拆分法:完整的電路中,在某個節點進行拆解就是將該節點后的電路用一個對應的有效負載(如圖1(a)所示的RL1)來代替形成拆解電路的前部分,而拆解電路后部分的信號源根據分析問題的需要可以是拆解電路前部分的輸出波形,也可以是獨立的瞬態信號源或交流信號源。

以下介紹是根據信號流展開的案例教學內容,主要包括對圖1電路中信號流在各個階段變化的驗證以及通過電路拆分+分析的手段對信號變化的深入研究,一方面為學生展示“高頻電子線路”理論知識的實際應用效果,另一方面指導學生通過參與電路的調試加深對理論知識的理解。

2.1 選頻+變頻電路

將圖1(a)的信號選頻電路部分,在節點2處斷開,去除變頻電路的影響,由R1、可調電容C1A(雙聯電容)和C1B(補償電容)以及變壓器T1的初極電感組成的諧振電路實現對輸入信號的頻率選擇,將圖1(a)中的信號源設定為一個交流電壓源,再開展交流分析,如圖2所示是根據參數掃描方法得到的不同C1A條件下在圖1(a)的節點1測量的幅頻特性曲線,可以看出C1A的頻率選擇效果。

圖2 不同電容C1A條件下具有選頻效果的幅頻特性曲線

將圖1(a)的變頻電路在節點9處與后續電路斷開,并添加對地電阻。將圖1(a)中的信號源設定為555 kHz/100 mV正弦信號,調整雙聯電容C1A和C5A使諧振頻率和本地振蕩頻率分別對準555 kHz和1020 kHz,其中諧振信號加到Q1的基極,本振信號加到Q1的發射極,利用晶體管的非線性特性實現諧振信號與本振信號的混頻,采用頻譜分析儀在節點9處查看混頻結果,如圖3(a)所示,圖中1對應本地振蕩頻率,2對應輸入的555 kHz信號,3對應本地振蕩信號和輸入信號的頻率差,即中頻465 kHz信號。在沒有拆分的圖1(a)原圖基礎上,重做上述實驗,結果見圖3(b),這兩個頻譜分布的比較可以看出第一中周的帶通濾波效果,即465 kHz中頻信號被選擇而其他頻譜分量被抑制的效果。

(a)混頻

2.2 中頻放大+AGC電路

中頻放大是收音機電路中的重要組成部分,它不僅要實現增益的提升,同時還要保證良好的通頻帶特性,對于這部分電路的驗證可以在圖1(a)的基礎上通過電路拆分法單獨對中頻放大電路進行分析,拆分后的電路如圖4所示。

圖4 單獨驗證中頻放大功能的仿真電路

設置圖4交流信號源V1幅度=100 mV,分析每經過一個中周(如圖4所示的節點2、18和21)的幅頻特性曲線如圖5所示,可以看出增益的提升,同時也可以看出通頻帶寬的保證。

(a) 第一中周

對于自動增益控制(AGC)的理解,可以查看參考文獻[11]的相關描述(如圖6所示),它介紹了在輸入信號幅度大范圍變化條件下,輸出信號的變化范圍受AGC的影響而變小。在本文案例的驗證中,將圖1(a)中信號源設計為正弦信號,然后在一定范圍內調整信號源幅度,同時測量輸出信號峰峰值的變化范圍。對于自動增益控制能力的研究,可以通過調整圖1(a)中反饋電阻RF來實現。

圖6 參考文獻提供的AGC特性展示

2.3 檢波電路

對于檢波電路的分析,首先將圖1(a)的信號源設定為調幅源(載波555 kHz,調制信號頻率1 kHz),在節點19處通過示波器進行顯示并保存數據,在圖1(b)電路中將信號源設計為PWL信號源,其數據來自于圖1(a)的示波器輸出結果。在圖1(b)節點3和14處接入示波器,結果如圖7所示,其中1為包絡檢波結果,2為PWL信號源波形,可以看出存在失真現象,原因是檢波電路輸出阻抗與后續晶體管輸入阻抗不匹配?？梢栽诠濣c14處安裝失真分析儀,以調制信號頻率為基波頻率進行失真的量化分析,還可以采用傅里葉分析法進行更加全面深入的研究。

圖7 包絡檢波結果展示

2.4 低頻放大+功率放大電路

通過圖1(b)晶體管Q2實現的是二極管檢波結果的低頻信號放大,教學內容屬于低頻電路范疇[14],通過在晶體管放大電路輸入和輸出端安裝示波器來驗證低頻信號放大的效果。對于這個電路的深入了解,可以通過調整偏置電阻R3來改變直流工作點并影響信號放大結果,仿真方法包括直流工作點測量、輸入/輸出波形對比以及傅里葉分析等。

最后的功率放大電路屬于高頻電路范疇,涉及到輸入變壓器的電壓信號傳輸和分配、推挽功率放大器的信號放大以及輸出變壓器實現的信號合成等內容。電壓波形的變化可以在對應節點安裝示波器進行驗證,而功率的變化用圖1(b)輸入節點12和輸出節點4處的功率測量進行比較,主要體現的是電流變化,因此在相應節點加入CurrentProbe,然后用示波器進行測量,結果如圖8所示,數值代表峰峰值。功率放大電路中兩個變壓器T1和T2的Multisim設置參數只有變壓比,這個參數影響著8 Ω負載電阻變換到功率放大電路輸入端的輸入阻抗,可以通過拆分電路法計算低頻放大電路的輸出阻抗以及功率放大電路的輸入阻抗,研究變壓器的變壓比參數對于阻抗匹配的影響,進而影響到最終的功率放大。

(a) 輸入節點

3 針對案例的教學安排

案例設計離不開合理的教學安排[15],在“電子線路機助分析”課程開始,將收音機電路仿真作為本課程的大作業介紹給學生,簡單描述收音機電路的整體框圖。由于學生已經完成高/低頻電路的學習,這個簡介既是對已學知識的回顧,也是為后續教學內容提供一個明確而具體的學習/研究目標。

“電子線路機助分析”教學是根據“軟件簡介→器件+模型介紹→分析方法介紹→虛擬設備介紹→綜合案例分析”的順序開展的。針對本文的案例,在“器件+模型介紹”的教學中,增加針對多元化信號源的構成以及中周子電路設計的介紹和練習;在“分析方法介紹”的教學中,在案例電路拆解的基礎上,增加交流分析、傅里葉分析和失真分析等方法與分立電路相關知識的介紹和練習;在“虛擬設備介紹”的教學中,示波器、波特圖儀、頻譜分析儀和失真分析儀等設備的介紹與案例的整體電路仿真練習相配合。在接近課程結束時,學生以小組形式開展整體案例電路的仿真分析工作并提交實驗報告和PPT總結演示,最后教師根據實踐報告和綜合演講效果打分。

將案例或拆解或整體地融入到教學過程中,使學生從始至終都在學習并且不斷深入地了解案例內容,一方面實現了對于“高頻電子線路”理論知識的回顧以及具體應用的體驗,另一方面也通過將“電子線路機助分析”中的各項教學內容真實并集中地應用到一個具體案例分析設計上,鍛煉了學生使用電路仿真軟件開展設計調試的能力。

4 結語

針對“高頻電子線路”課程,收音機電路被選為案例開展教學,該案例具有一定的知識覆蓋特性,同時又具有普遍性,大大縮短學生學習理論知識與實際生活的距離。

案例與仿真軟件的結合,可以彌補在真實實驗中不容易實現如算法分析、電路拆分和多元化信號源合成等操作的不足;同時在實驗設備應用方面,虛擬設備的學習和應用也為拓展相關領域的知識創造了一定的實驗條件。

案例教學與計算機技術的結合還可以突破課堂教學/實驗的限制,充分發揮虛擬平臺的優勢,學生在課余時間完成電路的仿真設計工作,時間更加充裕,可以加深對理論知識的認識,提高學習效率和學習興趣。