ELVIS平台在研究型教学中的应用

李华腾， 向韵麟， 朱 俊

(武汉大学 物理科学与技术学院， 湖北 武汉 430072)

ELVIS平台在研究型教学中的应用

李华腾， 向韵麟， 朱 俊

(武汉大学 物理科学与技术学院， 湖北 武汉 430072)

本文以阻容耦合放大电路的传输特性为例，揭示了研究型教学的特点与实施过程，以及ELVIS教学平台在其中的作用。以问题的提出开始，让学生去分析产生的原因、解决问题的理论基础，并讨论其应用价值。实践表明，问题的提出是研究型教学的核心，ELVIS平台由于其功能强大、可拓展性强，可促进研究型教学的开展。

研究型教学；Elvis平台；相位差

0 引言

研究型教学是一种在教师的组织指导下，以特定问题为导向，学生自主学习、自主实践的教学。它既是一种教育思想观念，又是一种教学方式，它包含三个要素：问题的设计、自由的环境与相应的硬软件设施[1]。

具体到“模拟电子线路”这门课程来说，当学完“模拟电子线路”理论课与相应的实验课后，为了巩固所学知识和综合应用所学知识，可组织学生以业余科研的方式开展研究型教学，提高学生综合运用所学知识的能力。

下面，我们以常见的阻容耦合放大电路实验作为一个案例来讨论如何开展研究型教学。

1 问题的提出

理解放大器的传输特性是深入理解放大器的基础，所以，问题设计之一就是研究二级阻容耦合放大电路的传输特性。

学生分别以频率为1 kHz、振幅为10 mV和50 mV正弦信号接入放大器输入端，用示波器观察其输入输出传输特性，其结果如图1所示。显然，结果除了表现为李萨如图形，即产生输入输出相移之外，基本上符合理论上对传输特性的描述。

图1 实验所得的传输特性曲线图

2 问题的确定

显然，相移问题超出了学生通常所学的理论知识范围。于是，我们要求并指导学生分析产生相移的原因与李萨如图形的特点。

学生通过资料查阅，以及对放大电路相关知识的复习，明确表示：①虽有各种放大器相移问题的研究，但此问题还没有见到相关文献报导；②若李萨如图形是顺时针旋转，则输出信号是超前于输入信号的；若是逆时针旋转，结论则相反。这一点明确了，但通过传统示波器很难判断李萨如图形是逆时针旋转还是顺时针旋转。

学生通过不同的仪器多次测量，得到了同样的结果，这表明其结果不是由于噪声、环境干扰或测量仪器误差所致。学生又进一步分别用不同频率与不同振幅的输入信号，也得出类似的结果。其中，如果频率越高，则结果越理想，这说明是由于电路内部容性效应所致。通过分析所使用的晶体管的特性以及传输特性在饱和区或截止区附近的特性，可以排除由三极管结电容产生相移的可能性。

因此，我们要求学生通过实验分析和仿真等手段找出问题原因，并在ELVIS平台上自主设计研究性实验，验证其结论的正确性。

3 ELVIS虚拟仪器实验平台

由NI公司开发的ELVIS II虚拟仪器实验平台能提供多款常用的桌面虚拟仪器，如数字万用表、函数发生器、示波器及波特分析仪等。这些虚拟仪器具有良好的协同工作能力，可实现多用户多应用。平台上可移动的开发板允许学生在不同的时间内使用相同的平台，免去了麻烦且耗时的重构设计过程。NI ELVIS II虚拟仪器实验平台可以很好的支持研究型实验教学并兼容电路仿真软件Multisim。

于是，学生在Multisim中创建一个基于NI ELVIS II平台的电路设计文件，仿真多级共射阻容耦合放大电路。仿真电路如图2所示。

图2 二级阻容耦合放大仿真电路

4 初步结论

通过NI ELVISmx Function Generator，输入频率1 kHz，振幅为30 mV的正弦信号，仿真该电路，然后利用仿真示波器观察输入输出波形和输入输出电压的传输特性曲线。仿真结果如图3(a)所示，仿真结果证实了相移是由电路本身所产生的，李萨如图形为顺时针旋转，输出相位超前于输入相位。

学生借此就可进一步分析放大电路中的容性问题。电路中有两种电容，一种是阻容耦合电容，信号传输经过耦合电容时，电容要充放电，至使输出信号出现了延迟。另一种电容为旁路电容，它给被放大的交流信号提供通路，保证交流放大量，防止交流信号在电阻上产生压降形成交流负反馈从而减少了交流放大量。所以，旁路电容越大实验效果越好，但是由于实验成本的限制，采用很大旁路电容的做法是不现实的。然而，旁路电容到底对传输特性有何种影响？

分别给不同的电容扩大10倍，通过仿真，学生能明确地给出：对我们所关心的结果而言，C1、C2、C5及C3的变化可以忽略，只有C4能影响到传输的相位特性。当把C4的值增大到470 μF，其仿真结果为图3(b)所示。

通过仿真示波器观察到：传输特性曲线变为一条曲线，不再是椭圆状的李萨如图形。这说明增大旁路电容C4减小了输入输出的相位差。

5 利用理论知识分析结论

共射阻容耦合放大电路的小信号电路图如4所

(a)C4=47μF (b)C4=470μF图3 仿真电路输入输出传输特性

示由于需要考虑旁路电容Cx对相位的影响，学生就利用放大电路的小信号模型分析电路，这是一种以小振幅的正弦电压为扰动的稳态电测量方法[2]。

图4 小信号等效电路图

(1)

其中，ω为角频率，

(2)

输入输出电压增益AV为

(3)

(4)

对于由图2所示的二级阻容耦合放大电路而言，C2为第一级放大电路的旁路电容，

(5)

这表明在一定的负反馈条件下，抑制了旁路电容所产生的相移。然而，对于第二级放大电路，C4构成了其旁路电容，它没有射级负反馈电阻，则：

(6)

这样，就得到相位差为20 °左右，不可以被忽略。因此，学生从理论上导出了电容C4是影响传输相位特性的主要因素。

6 利用ELVIS平台验证实验结论

仿真实验是忽略了很多细节和误差的理想化实验，并不能代替实物实验。但是传统的仪器又存在着一定的局限性。这样，在我们的研究型教学中，学生可以通过Labview编程，利用NI的ELVIS II虚拟仪器实验平台得到更加直观精确的结果。

首先把元器件按照电路图插入ELVIS平台面包板，将输入输出端口分别接入ELVIS信号采集端口，连接好的实物电路如图5所示。

图5 Elvis平台电路实物图

学生使用Labview设计了一个信号传输特性分析系统，可以实现信号相位差的测量。一般虚拟仪器测量相位差有过零法，频谱分析法(FFT)和相关分析法3种方法[3]。

过零法即通过判断2个或多个同频率信号过零点时刻计算其时间差，然后转换为相应相位差。3种方法中过零法抗干扰能力最差，并且其本身就存在误差，因为实际信号采集几乎无法准确采集到零点时刻。由于噪声信号和正弦信号不相关，因此利用信号的相关性原理测相位具有很好的抗干扰性。相关法测量相位差适用于低频信号，特别是对超低频信号的测量具有良好的效果。FFT测量的虚拟相位差实质上是求频谱的基频分量。虽然FFT法计算量大，但抗干扰能力强。

经过对这三种方法的对比测试， FFT法和相关法这两种算法的效果比较理想，在本实验中两种方式都予以采用，算法程序框图如图6所示：

在程序前面板设置采样模式为“有限采样”，采

图6 程序框图

样频率为50 kHz，打开ELVIS平台电源，运行程序，前面板运行结果如图7所示。

图7 相位差计算程序前面板

前面板示波器显示的传输特性图为李萨如图形，两种算法得到的相位差均为 21 左右，说明输出信号超前于输入信号。并且，当点击前面板按钮“连续运行”程序的时候，我们也可以清楚地看到顺时针旋转的李萨如图形。这与前面的实验现象是一致的。当我们给旁路电容C4替换几个较大的电容时候，运行程序后，相位差均减小了，验证了C4确实影响了相位差变化。

7 应用的延伸

对于学生掌握模拟电子线路特别是反馈电路而言，放大器的相移研究很有意义。为了表明这点，我们希望学生进一步利用此放大器来构成RC振荡电路，研究其相移对振荡电路的影响。

正弦波振荡器实验电路如图8所示，要使振荡器起振，必须满足相位平衡条件，它取决于放大电路本身的相位差与选频回路所附加的相位差，这也就是我们所要研究相移问题的电路意义。

假如该放大器没有相移，振荡频率fA取决于文氏桥电路的幅频峰值。但此放大电路所构成的RC振荡电路的振荡频率为fB(fB>fA)，放大倍数AVF> 3，这是由于放大器的超前相位，必然会导致文氏桥电路频率增加，以抵消其超前相位，同时，也导致其幅频低于1/3，即放大器的放大倍数会大于原理论值。

图8 RC桥式正弦波振荡器实验电路

8 教学评价

与传统的教学方式不同，研究型教学十分重视实验过程的个性化与实验结果的多样性，这使得在传统的实验教学平台上很难开展研究型教学。根据文献[4]，我们很容易在ELVIS实验教学平台上还原学生实验过程，从而使研究型教学可以部分由计算机来进行评价，使评价更具有客观性。另外，它还很容易地实现评价主体和评价客体的多样性。

9 结语

本文通过在研究型教学中的一个实际例子来揭示研究型教学的过程特点，即通过阻容耦合放大器传输特性的李萨如图形来展示问题的描述、问题的确定、产生问题的原因、解决问题的理论基础、以及在实际电路中的应用等。显然，问题的提出是研究型教学能顺利开展的关键。

实际上，对传输特性曲线的讨论，还可以从工作点对其影响，以及非线性方面等多角度进行讨论；另外，学生对整体相移关系并没有完全梳理清楚。考虑到学生的知识背景、兴趣点等方面因素，本文并没有全面展开。

在研究型教学平台方面，我们认为NI公司ELVIS II虚拟仪器构建电子线路实验平台是一个不错的选择。它除了可代替一般实验系统中的各种设备，还可以让学生自己设计测量与分析工具，从而扩展了学生的实践领域；对教师而言，它可回放实验过程，使学生能得到教师的充分指导。它最大的一个优点，我们认为是输入输出一体化，改变了传统仪器各自为政的局限性，并为我们提供一个开放式的软件及硬件平台。

当然，ELVIS实验平台也存在着一些不足，例如在多路信号的电路分析中，仪器自身也存在着一部分相位误差，我们认为这可能与仪器内部的数据采集卡的采样精度和速度有关。

[1] 别敦荣. 研究性教学及其实施要求[J]. 北京:中国大学教学, 2012(8):10-12

[2] 魏波, 吕喆. RC并联电路的交流阻抗谱[J]. 吉林:大学物理实验, 2011, 24(5):58-60

[3] 王莉, 杨鹏. 基于LabView的数字式相位差测量仪的设计[J]. 上海: 仪表技术, 2009 (11):45-47

[4] 石竹玉,朱俊. 虚拟示波器实验教学自动评分系统的设计[J]. 南京:电气电子教学学报, 2013, 35(1):88-92

The Application of ELVIS Platform on Research-Based Teaching

LI Hua-teng, XIANG Yun-lin, ZHU Jun

(SchoolofPhysic,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Based on the example of the transmission characteristics of RC coupled amplifier, we put forward the characteristics and the process of research-based teaching, and raises the role of ELVIS teaching platform. Beginning with the problem design, we let the students analyze the causes and solve the problems with the theoretical basis, and then discuss its applications. Results show that the key of research-based teaching was the question design, and the ELVIS platform could promote the development of research-based teaching for its powerful functions and strong expansibility.

research-based teaching; ELVIS platform; phase difference

2015-07-13;

2015-11- 11

湖北省教育研究项目“LabVIEW仿真物理实验平台的建设及在实验教学中的应用”(批准号：2008012)

李华腾(1990-)，男，在读硕士生，研究方向为虚拟仪器在实验教学中的应用，E-mail：523542792@qq.com

G642

A

1008-0686(2016)02-0079-05