案例式“通信电子电路”模块化实验方案设计与实践

余 萍，韩东升，李 然，李星蓉，贾惠彬

案例式“通信电子电路”模块化实验方案设计与实践

余 萍，韩东升，李 然，李星蓉，贾惠彬

（华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071000）

通信电子电路是电子信息类专业的基础课程，实践性很强。课程组针对本课程传统实验教学中学生被动按步骤实验、主动性不强的问题，设计了案例式模块化实验方案。以无线收发系统各功能模块电路案例为例，对案例式实验教学进行了探索，引导学生根据实验任务、运用课程知识自行设计实验方案和步骤，分析解决实际问题，以期提高教学效果。

案例教学法；通信电子电路；实验教学；模块化电路

案例式教学方式由美国哈佛商学院所倡导，所用案例都来自商业管理的真实情境或事件。国内教育界从20世纪90年代开始探索案例教学法，并在医学类、工商管理类、法学及公用政策类课程中广泛应用。但案例教学法在基础理论性强、难点多、知识点比较复杂的课程中的应用还较少，此类案例教学的难点在于真实案例的选择和设计，需要选择和设计出具有目的明确、客观真实、综合性强、结果多元化、实践性突出等特点的案例[1-2]。近年来，不少高校在各类课程中进行了案例式教学的尝试[3-6]。

“通信电子电路”是普通高校通信、电子信息类专业的必修课，是涉及高频硬件电路，实践性、应用性都很强的专业基础课。课程中的电子电路功能种类多、概念抽象，一直以来就是一门教师难教、学生难学的课，多年来对该课程的各类教改研究主要是在传统教学方法基础上进行[7-10]。总体上来说，国内的案例式教学还处于起步阶段，将工程项目应用于通信电子电路实验教学是很好的尝试[11]。本文针对该课程特点提炼课程基础知识，设计了客观真实、符合案例教学特点的通信电子电路基础实验模块，每个实验模块构成一个基础性案例，各模块又可组合成小系统进而构成综合性案例，并将课堂教学与实验教学紧密结合，帮助学生更深入地理解抽象概念，更好地掌握现代通信电路系统知识。

1 基础性案例实验方案设计

通信电子电路涉及通信系统复杂的概念和通信技术庞大的体系，各电路功能、类型及规模千差万别。由于学生的硬件能力总体比较薄弱，需要对课程涉及的诸多知识点进行梳理和凝练。

通信电子电路以无线收发系统为主线[12]，其功能模块电路包括滤波器、选频放大器、混频器、振荡器、调制与解调器、高频谐振功放、锁相环、频率合成等，每个功能模块电路都包含若干知识点，如对无线接收系统指标中噪声系数和灵敏度概念，以及涉及对系统构成方案中加入混频、选频放大、解调等后续模块电路的必要性的理解；对高通、低通及带通滤波器的作用的理解，涉及不同信息的处理需求；对带通滤波器的中心频率、带宽、矩形系数等指标如何确立问题，在混频、调制与解调、选频放大等各类功能电路设计中都有所涉及。因此，面向全体学生的基础性案例实验“通信电子电路”，不仅在功能上需要覆盖诸多知识点，实验板本身也应能满足进行反复实验的需求。

1.1 基础性案例实验板基本要求

实验系统由若干块实验板组成，每块实验板上包含不同功能的模块化案例电路，各模块电路均有独立的输入输出接口，且具有如下特点：

（1）各实验板可由多名学生同时进行独立实验，各实验板既可独立供电，又可与其他实验板连接形成串联供电，以满足单个学生用多块实验板组建系统实验。进行系统实验时，可根据实验任务要求选择各模块电路相互组合连接，能够满足相互连接时的信号匹配要求。电路中还相应地设置了方便仪器连接的实验测试点，方便进行系统实验。

（2）实验板中单元模块电路的重要知识点的电路结构是开放的，学生能够对电路参数进行插拔更换或微调，以实现最小功能的基础案例实验。

（3）可选取不同功能模块案例电路，使之相互连接后组合成调频、调幅无线收发系统。中心频率点可设置为20个以上的不同频率点，能够确保各实验小组在进行收发系统实验时信号不受干扰。

此外，实验系统电路中涉及的与频率及负载变化相关的电阻、电容、电感等元件可插拔，频率及幅度微调时所涉及的可变器件应经久耐用且调试方便，元件库板中的元件应能满足经典实验参数要求。

1.2 基础性案例实验方案

基础性案例实验方案在功能上应能帮助学生学习对主要知识点的运用，学会电子电路测量及调试方法。根据通信收发系统各功能模块及相关电路尺寸，设计了如下实验板模块。

1.2.1 小信号调谐电路实验板

小信号调谐电路板上包括单调谐回路谐振放大器、双调谐回路谐振放大器、二极管检波头及串/并联谐振电路等4个独立的电路模块。其中单调谐回路谐振放大器和双调谐回路谐振放大器是实验的主要电路，放大器偏置电路及谐振回路元件全部设置成可插拔，学生可根据设计需要灵活设置。二极管检波头是实验辅助电路，学生可在无扫频仪或网络矢量分析仪条件下，借助检波头、示波器及具有扫频信号输出功能的信号发生器自行搭建幅频特性测量方案。

小信号调谐电路实验板作为接收系统的前端电路，中心频率点在6~12 MHz范围内可连续设置，可设置20个以上的不同频率点。实验信号不仅可通过有线直接输入，还设置了拉杆天线接口，便于无线信号输入，满足无线接收系统实验需求。

1.2.2 振荡器电路实验板

振荡器电路实验板包括皮尔斯晶体振荡电路、LC振荡器电路和语音放大电路等3个电路模块。LC振荡器电路可组成克拉泼振荡电路或西勒振荡电路2种形式。本实验板可对通信系统中的振荡频率源电路进行设计调测实验，相应的电路静态工作点和频率器件可根据需求灵活设置，振荡电路模块输出信号也可作为其他电路中的信号源。本实验板中的语音放大电路是系统实验的辅助模块，为调制输入和解调输出提供低频信号放大，包括麦克风放大和扬声器放大2个独立小模块，除能接入仪器音频信号外，也可外接麦克风及其他声源信号，内置扬声器可播放音频信号。

1.2.3 功率放大、调幅与解调电路实验板

功率放大、调幅与解调电路实验板包括丙（C）类功率放大电路/基极调幅电路、二极管检波电路、乘法器集成调幅电路和集成解调电路等4个电路模块。本实验板可对通信发送系统中的幅度调制、高频功率放大及接收系统中的幅度解调电路进行调测实验，还可根据实验需求灵活设置实验中的载波发射频率和功率，可在6~12 MHz范围内连续设置20个以上的不同的中心频率点。

丙（C）类功率放大电路与基极调幅电路组合在一起，可通过调制信号是否接入切换或组合这2种电路，丙（C）类功率放大电路输出端信号不仅可通过有线直接输出，还设置了拉杆天线接口，便于无线信号输出，满足无线发送系统实验需求。二极管检波电路中的检波负载均可灵活设置，便于学生进行自行设计。乘法器集成调幅电路可根据学生调测设计输出AM波、DSB波和SSB波，集成解调电路可设计对AM波、DSB波和SSB波进行解调。

1.2.4 锁相环、调频与解调电路实验板

锁相环、调频与解调电路实验板，包括变容二极管调频振荡电路、斜率鉴频/相位鉴频电路、频率合成与调频电路、锁相环与解调电路等4个电路模块。本实验板可对通信发送系统中的频率调制电路、接收系统中的频率解调电路、锁相环应用及频率合成等进行调测实验。

变容二极管调频振荡电路可设置调节变容二极管的偏压，从而改变其振荡频率，中心频率点在6~ 12 MHz范围内可连续设置20个以上的不同的中心频率点。在斜率鉴频/相位鉴频电路中，学生可通过不同连接方式使电路切换成相位鉴频或斜率鉴频模式。在锁相频率合成电路中，由二级计数器CD4522组成分频器，分频系数由拨码开关以“8421”码方式设定，根据不同设定，可在输出端获得参考频率整数倍的合成频率（输出频率不超出锁相环VCO输出频率范围时）。在锁相环与调频解调电路中，学生可自行设计测量方法，测量锁相环捕捉带或同步带，并搭建锁相调频解调电路。

1.2.5 混频器、中放电路板

混频器、中放电路板包括三极管混频电路、集成混频电路、中频放大电路和自动增益控制电路等4个模块电路。中频放大电路中设置了AGC信号接入点，可将自动增益控制电路输出信号接入。三极管混频电路和乘法器集成混频电路中的本振信号均可从外部接入，保证在实验频段输出中频信号，中频频率设置为2.5 MHz。

1.2.6 元件库板

元件库板上备有可插拔的各类元件供实验所需，包括三极管、电阻、电容、电感等器件，其中的双联可变电容为20~200 pF可调，如图1所示。

图1 元件库板

以上基础性案例实验方案可通过调试（装配）、测量等工程实训（实验）过程，使学生理解通信电子电路功能模块电路的基本原理，理解无线射频通信系统的基本组成，学习相应射频测试仪器的使用方法，并逐步学会分析问题和解决问题的能力，最终理解无线射频语音通信的原理和应用。

1.3 基础性案例实验成绩评测方法

对学生的实验效果评价依据实验任务完成情况确定。教师根据基础性实验方案制定各模块电路实验任务书，学生根据实验任务书内容设计实验方案及选定所需的器件和仪器，并在实验方案中标明实验调试点，预测所标明的各信号调试点的波形、频谱或幅值等参数，再根据每项实验内容设计制定实验条件、步骤及实验手段，最后记录实验中出现的问题、电路故障及解决办法。

基础性案例实验板放置在单工位一体收纳箱中，同时配备实验所需的所有测试线、连接线、天线、麦克风、理线架等配套产品，实验结束后，应将物品在箱内有序归位，如图2所示。

图2 实验板收纳箱

2 系统性案例实验方案

2.1 系统性案例实验搭建

为加强与基础性案例实验的紧密联系，系统性案例实验围绕模块化基础性案例实验电路搭建。基础性案例实验各模块电路包括调频通信收发系统和调幅通信收发系统两大核心部分，学生可设计搭建类似幅度调制与解调、频率调制与解调等局部小系统，进行指标调试实验；也可搭建有线或无线收发系统，既可自发自收，也可与其他组彼此相互收发，进行整机实验指标调试实验。各实验组可在不同频率上分头工作，确保各组进行收发系统实验时信号不受干扰。

调幅通信收发系统由语音输入电路（含麦克风接口）、基极调幅电路、丙类功率放大器电路、发射电路、LC振荡器电路（提供载波，频率可调）组成发射电路部分；由接收天线、小信号谐振放大器电路、混频器电路、晶体振荡器电路（提供本振信号）、中频放大器电路（含自动增益控制）、大信号检波电路、低频功放电路（含扬声器）组成接收部分。

调频通信收发系统由语音输入电路、变容二极管调频电路（此部分的中心频率与调幅波载波一致）、放大器与发射电路组成发射电路部分；由接收天线、谐振放大器电路、混频器电路、晶体振荡器电路（提供本振信号）、中频放大器电路（含自动增益控制）、鉴频器电路、低频功放电路组成接收部分。

对无线调幅及调频收发系统进行整机系统性实验的目的是强化无线通信系统概念，了解完整的通信系统的组成及各部分功能。通过将各独立的功能模块相连接完成信息传递，并根据实际传输效果，对通信系统的传输质量做出客观、正确的评判。

2.2 系统性案例实验成绩评测方法

对系统性案例实验成绩的评测依据整机系统无线收发效果确定。学生根据实验任务书要求搭建整机系统，并对整机系统各相关指标进行调试，对无线信号收发优劣状况、信号质量、通信距离等给出结论。

对每个学生的实验成绩评定，还要依据最终的实验考试结果。实验考试采用了学生考试机。在学生考试机上，将基础性案例实验模块分功能集成在一个大底板上，每个模块电路均可设置若干故障，包括频率、工作点、幅度、放大等各类故障，还可将多种故障进行组合。学生考试机状态由教师出题机无线发送设置，包括考试时间、故障设置等。教师在考试系统上能够看到学生在考试机上的实验状态，教师出题机部分界面如图3所示。学生考试机上的故障排除后，就可连接成整机实现无线收发。在考试机屏幕上，学生可看到需排除的故障数以及是否排除正确、剩余时间、参考成绩等信息，时间用尽则不能再行操作，考试自动终止。

3 结语

本文根据“通信电子电路”课程特点，设计了基础性案例实验模块化电路，各独立的模块化功能电路还可搭建无线收发整机系统，构成系统性案例实验。实验过程中，学生根据任务要求完全自行设计实验方案和步骤，提高了学生分析问题和解决问题的能力。采用学生考试机实验考核方式，有利于学生在实验过程中深入探究电路原理和实验方法。通过2015级和2016级学生的实验教学实施，教学效果明显。学生从以往按给定步骤被动机械地进行实验转变为主动进行实验方案设计，探究意识大大增强。当完成整机系统实验，从喇叭中听到发送端发送的音频信号时，学生的成就感和愉悦心情使他们的实验兴趣大大提升。在进一步理解课程内容的同时，提高了搭建调试高频硬件电路的动手能力。通过实践还认识到，仅有基础性或系统性案例实验还不够，还需要根据现代通信技术发展，开发拓展性实验案例，为更高层次的创新思维及创新能力培养奠定基础。

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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

河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2018GJJG401）；河北省高等学校创新创业教育教学改革研究与实践项目（2017CXCY135）

余萍（1963—），女，浙江杭州，学士，副教授，研究方向为图像处理、无线通信。E-mail: 1730624000@qq.com