高频电路综合创新实验平台研究

梁丽芳，滕君华，齐国清

（大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心，辽宁 大连 116026）

新工科建设对培养具有工程实践能力的创新型人才提出了很高的要求，迫切需要高等教育进行变革和创新，加强对工程人才的培养[1-2]。高频电子线路作为电子信息类专业一门理论性、工程性和实践性很强的课程[3-4]，实验教学的改革势在必行。国内一些高校高频电路实验教学采用实验板或实验箱开展验证性实验[5]，由于缺乏设计性和探索性实验，部分高校将虚拟仿真软件引入高频电路实验教学中，虽然克服了一些硬件实验的局限性[6-7]，但是工程性和实践性略显不足。极个别厂家开发了以验证性为主、设计性为辅的高频实验系统，但实用性差强人意。不论是研制还是购买新的设计型实验平台都需要报废旧的实验平台，会产生大量的垃圾，并存在严重的资源浪费[8]。因此，如何能在有效利用旧资源的前提下，进行低成本改造，实现具有综合性和设计性的高频电路实验，就有了研究和探索的必要。本文针对积木式高频电路实验箱进行改造，建立高频电路综合创新实验平台，为学生自主创新和主动探索提供了可行方案。

1 综合创新平台建设方案

1.1 建设思路

随着实验教学的发展，实验项目逐步趋近工程实际项目[9-10]。传统高频电路实验箱普遍由若干个模块构成调频或调幅收发信机等综合系统[11]，本身就是一个完整的工程实际应用场景，工程难点主要体现在系统设计、单元电路的级联方法、级间匹配和降低级间干扰等方面，然而这些难点都由设备产商解决了，学生体会不到高频电路的精髓部分。

因此，本文提出充分利用实验箱的工程应用场景，为其设计一款低成本、具有同等特征的扩展模块，将其转化为设计型实验平台，通过利用实验箱的模块化特征来简化设计过程，降低学生综合设计与创新的难度。学生在扩展模块上自行设计的电路模块可以替换实验箱上的一个或几个模块，与其他既有模块一起组成通信系统。将现有实验箱各个模块的技术指标转化为学生设计模块的设计指标，所设计模块与其他现有模块级联，可以检验其是否满足系统要求，这样实验箱成为检验平台，各功能电路可以模块化独立开发、单独检验。一个学生设计多个模块或多个学生各设计一个模块最后级联成系统，联合调试，解决系统级问题，有助于提高学生电路设计与实现以及解决工程实际问题的能力。

1.2 通用扩展模块设计

如图1 所示，扩展模块与既有模块大小一致，左右两侧采用排母将实验箱的电源和地接入，并保持同样的积木式插拔方式；提供外部电源的输入插孔使其不依赖于实验箱也可以独立使用；在电源接入处设计滤波电路以提高电路稳定性。

因学生焊接质量对实验效果和效率的影响比较大，为降低焊接复杂度和尽量减少导线数量和长度，减小高频电路受分布参数的影响，因此电路设计区设计为“横向绝缘纵向导通”的5 行N列的三段式过孔矩阵。每行/每列过孔与过孔间隔设置为国际标准的2.54 mm，过孔孔径设置为0.762 mm，适合大部分直插元器件使用。为适用于芯片等特殊直插元器件，将第2 段与第3 段过孔矩阵之间间隔设计为缺省2 行过孔。考虑到电路元器件需要频繁地与电源和地相连，在电路设计区上方和下方分别提供常用电源、地和非常用电源、地的过孔行，方便连接。

为方便与其他模块级联和测试，在底部两侧规划出信号输入区和信号输出区，分别包括过孔、插孔和测试端子。考虑到易用性，电路板丝印层标注电源和输入输出等提示字母。为使学生设计的电路结构清晰美观，采用双面铺铜工艺，将元器件布局在正面，导线、引脚等焊接在背面。

图1 通用扩展模块PCB

2 建设方案可行性验证

以下选择调幅发信机的设计为例进行介绍。图2为调幅发信机结构框图。

图2 调幅发信机结构框图

2.1 实例仿真设计

调幅发射机由高频振荡、调制器、功率放大器和调制信号组成[12]。按照实验箱指标设计，载波频率fc为10.7 MHz。设计的调幅发信机仿真电路见图3。高频振荡部分采用改进型电容反馈振荡器，调制部分采用集电极调幅电路。由于集电极调幅电路在完成调制的同时也完成了功率放大的作用，因此在设计电路时省去了高频功率放大器[12]。在高频振荡电路与集电极调幅电路之间加入了射级跟随器，以隔离前后级之间的干扰。各部分的仿真输出波形见图4 和图5。

图4 调幅发信机振荡部分输出波形

图5 调幅发信机调制部分输出波形

由图 4 可计算出振荡波形的周期T=T2-T1=93.567 ns，振荡频率≈ 10.7 MHz，振荡波形稳定。

由图5 可看出已调信号的包络反映了调制信号的变化。

2.2 实例实物测试

利用扩展模块分别对高频振荡模块、集电极调幅模块进行实物焊接。元器件布局时，导线遵循最短和直线原则，电源和地的接入遵循最近原则，通过减少导线的使用提高电路的稳定性。扩展模块上焊接的模块正面和背面分别见图6 和图7，可以看出电路布局清晰、焊接简单。两模块单独测试通过后，分别与既有模块级联成系统进行调试。所设计的两模块一起替换既有模块级联后的调幅发信机实际测试环境见图8。

图6 集电极调幅电路实物正面

图7 集电极调幅电路实物背面

图8 中，调制信号由既有模块1（低频信号源）提供，自行设计的模块2（高频振荡电路）为自行设计的模块3（集电极调幅电路）提供未调载波。示波器同时观察调制信号和已调信号。从图8 中示波器屏幕上的波形可以看出，已调信号（上）的包络很好地反映了调制信号（下）的变化，已调信号波形稳定，与仿真结果一致。

3 在实验教学中的应用

教师根据实验箱给出几个综合系统的设计性题目供学生选择，比如调频发信机和收信机、调幅发信机和收信机。教师给出各项设计指标，学生可以做一个或几个系统实验。实验过程灵活自由，既可开展不同学时数的高频实验实践课，也可支持分层次培养。

学生2～3 人一组，选定题目后，根据通信系统模块化结构框图的特征，采用项目式模块化教学模式，每次实验利用扩展模块设计一个模块，学生可以分阶段设计完成所需各模块，教师分阶段验收，最后在实验箱平台上级联成系统进行调试。通过这种模式，学生可以经历从需求分析、系统设计、各模块设计、仿真验证、实物制作、各模块测试到系统联调一个完整的高频硬件系统开发的工程化训练过程。

实验室采用开放式管理。将课内课外相结合，课外学生按照设计指标完成电路设计和仿真，课内完成元器件布局、实物焊接、测试和系统连调等。因扩展模块便于携带，在学校允许的条件下，元器件布局和实物焊接也可以在课外完成，在实验室只需进行模块测试和级联测试，实验过程不再受时间和空间的限制。

另外，可采用学生设计的性能完善的模块替换实验箱损坏的模块，反复迭代，自我完善，以大大降低实验平台的维护工作量。在本专业其他课程设计时,教师还可提供一些与该实验平台关联的课题供学生选择，比如射频天线课程设计中增加为收发系统设计满足一定指标要求的收发天线和射频前端处理等题目。扩展模块设计以及设计时留出相连的接口，为多门课程的融合提供了可能。教师还可以将学生设计的扩展功能中的优秀作品用来丰富创新平台，并鼓励学生借助扩展模块在实验箱框架内搭建新的通信系统。

4 结语

本文紧跟实验教学发展趋势，通过对传统的实验箱进行低成本改造，建立了可以工程化训练的高频电路综合创新实验平台，使学生由被动学习变为主动探究。将工程项目开发模式贯穿实验教学过程，开放式的教学管理模式可以缓解实验室场地紧张和排课困难的问题。实验平台可由学生自我完善、自我发展，教师有了更多精力用于指导和提高自身能力，进而更好地服务学生。这种合作、开放、探索、创新的实验教学模式，有利于培养满足行业发展和市场需求的具备工程实践能力的创新型人才。