“高频电子线路”仿真式案例教学的设计

冷 文

(天津大学 电气自动化与信息工程学院,天津 300072)

“高频电子线路”是电子信息类专业必修的学科基础课[1],该课程教学过程中理论推导内容多,介绍的原理知识复杂,是学习难度较高的一门专业基础课。而该课程实践性强的特点也突出了配套实验的重要性[2],目前“高频电子线路”课程多采用基于实验箱的验证性实验,但是缺乏将多项理论知识融合在一起的综合性实验教学。针对这一问题,案例式教学是目前很多教改项目采用的解决方法之一[3-4],它具有综合性强和案例客观真实的特点,对于激发学生的学习兴趣,培养分析、解决问题能力极有益处[5-7]。

本文提出仿真式案例教学的背景是在完成高/低频电子线路课程学习之后开设的电路仿真课程“电子线路机助分析”,该课程以仿真软件Multisim为基础,介绍该软件的各种分析方法以及虚拟设备的使用[8]。本文介绍的案例是“电子线路机助分析”课程的大作业,更重要的是针对“高频电子线路”课程的总结[9],即在高频理论教学完成之后,借助计算机辅助分析方法,基于一个具体电路的分析将所学高频理论知识进行涵盖和回顾[10]。

1 案例的选择

根据案例式教学综合性强和客观真实的特点,对于案例选择标准的总结如下:①熟悉度强,与学生学习/生活距离近;②覆盖面广,尽可能涵盖案例所针对课程的教学内容;③完整的实验平台,为学生完成案例以及后续的深入研究创造条件;④开放性强,教学需要有足够的调整空间,为学生修改案例内容提供条件。

据此,本文选择针对收音机电路的研究作为教学案例。虽然收音机早已不是当代大学生日常使用的电子产品,但是根据上述案例选择标准,它具有一定的被选优势:①收音机焊接是很多学校电子工艺实习内容,学生对其工作原理有一定的了解;②收音机框架包含了对无线信号接收处理的完整过程,能够实现对高/低频电子线路知识较大范围的覆盖;③本文所述案例是在Multisim平台上开展的电路仿真分析,软件所提供的分析方法和虚拟设备构成了完整的实验平台;④本案例教学过程中,除对收音机基本功能的仿真验证之外,还可以充分发挥计算机辅助分析的优势,将拆分电路、算法分析、信号源多元化构成以及丰富的测试设备等真实实验不易实现的功能应用其中,为案例的开放性研究创造条件。

本案例与对应课程关系描述如下:对于“高频电子线路”课程,通过电路的验证仿真和调试,让学生加深对选频、混频、中频放大、低频放大以及功率放大等教学内容的理解,特别是将理论知识应用到一个具体案例中,为学习一个完整电子系统提供非常好的实践机会;对于“电子线路机助分析”课程,在电路的仿真和调试过程中,学生将学习到多种分析方法以及各类虚拟设备在真实工程设计中的应用情况。

2 案例的教学内容

为了与电子工艺实习的收音机保持一致,我们采用超外差收音机HX108电路为案例开展全面的分析[11-13]。根据软件特点,仿真时间会随着电路复杂程度大幅度增加,在保证仿真精度前提下,为了提高仿真效率,将HX108电路分割为高频和低频两部分,如图1所示,并根据分析需要和软件特点进行了部分修改:①灵活的信号源设计,为实现不同仿真分析目的而设计不同的信号源;②对于在Multisim中不存在的器件(如晶体管9013和9018)采用替代器件,对于中周器件根据其所起作用采用子电路方式进行设计,振荡线圈采用LTF-1系列参数、中频变压器采用TTF-2系列参数构造子电路模型;③在保证整体框架不变前提下,在一些细节处出于仿真目的进行微调。

(a) 高频+中频信号处理部分

如图1所示,两个电路的划分也对应着下文介绍的电路拆分法:完整的电路中,在某个节点进行拆解就是将该节点后的电路用一个对应的有效负载(如图1(a)所示的RL1)来代替形成拆解电路的前部分,而拆解电路后部分的信号源根据分析问题的需要可以是拆解电路前部分的输出波形,也可以是独立的瞬态信号源或交流信号源。

以下介绍是根据信号流展开的案例教学内容,主要包括对图1电路中信号流在各个阶段变化的验证以及通过电路拆分+分析的手段对信号变化的深入研究,一方面为学生展示“高频电子线路”理论知识的实际应用效果,另一方面指导学生通过参与电路的调试加深对理论知识的理解。

2.1 选频+变频电路

将图1(a)的信号选频电路部分,在节点2处断开,去除变频电路的影响,由R1、可调电容C1A(双联电容)和C1B(补偿电容)以及变压器T1的初极电感组成的谐振电路实现对输入信号的频率选择,将图1(a)中的信号源设定为一个交流电压源,再开展交流分析,如图2所示是根据参数扫描方法得到的不同C1A条件下在图1(a)的节点1测量的幅频特性曲线,可以看出C1A的频率选择效果。

图2 不同电容C1A条件下具有选频效果的幅频特性曲线

将图1(a)的变频电路在节点9处与后续电路断开,并添加对地电阻。将图1(a)中的信号源设定为555 kHz/100 mV正弦信号,调整双联电容C1A和C5A使谐振频率和本地振荡频率分别对准555 kHz和1020 kHz,其中谐振信号加到Q1的基极,本振信号加到Q1的发射极,利用晶体管的非线性特性实现谐振信号与本振信号的混频,采用频谱分析仪在节点9处查看混频结果,如图3(a)所示,图中1对应本地振荡频率,2对应输入的555 kHz信号,3对应本地振荡信号和输入信号的频率差,即中频465 kHz信号。在没有拆分的图1(a)原图基础上,重做上述实验,结果见图3(b),这两个频谱分布的比较可以看出第一中周的带通滤波效果,即465 kHz中频信号被选择而其他频谱分量被抑制的效果。

(a)混频

2.2 中频放大+AGC电路

中频放大是收音机电路中的重要组成部分,它不仅要实现增益的提升,同时还要保证良好的通频带特性,对于这部分电路的验证可以在图1(a)的基础上通过电路拆分法单独对中频放大电路进行分析,拆分后的电路如图4所示。

图4 单独验证中频放大功能的仿真电路

设置图4交流信号源V1幅度=100 mV,分析每经过一个中周(如图4所示的节点2、18和21)的幅频特性曲线如图5所示,可以看出增益的提升,同时也可以看出通频带宽的保证。

(a) 第一中周

对于自动增益控制(AGC)的理解,可以查看参考文献[11]的相关描述(如图6所示),它介绍了在输入信号幅度大范围变化条件下,输出信号的变化范围受AGC的影响而变小。在本文案例的验证中,将图1(a)中信号源设计为正弦信号,然后在一定范围内调整信号源幅度,同时测量输出信号峰峰值的变化范围。对于自动增益控制能力的研究,可以通过调整图1(a)中反馈电阻RF来实现。

图6 参考文献提供的AGC特性展示

2.3 检波电路

对于检波电路的分析,首先将图1(a)的信号源设定为调幅源(载波555 kHz,调制信号频率1 kHz),在节点19处通过示波器进行显示并保存数据,在图1(b)电路中将信号源设计为PWL信号源,其数据来自于图1(a)的示波器输出结果。在图1(b)节点3和14处接入示波器,结果如图7所示,其中1为包络检波结果,2为PWL信号源波形,可以看出存在失真现象,原因是检波电路输出阻抗与后续晶体管输入阻抗不匹配。可以在节点14处安装失真分析仪,以调制信号频率为基波频率进行失真的量化分析,还可以采用傅里叶分析法进行更加全面深入的研究。

图7 包络检波结果展示

2.4 低频放大+功率放大电路

通过图1(b)晶体管Q2实现的是二极管检波结果的低频信号放大,教学内容属于低频电路范畴[14],通过在晶体管放大电路输入和输出端安装示波器来验证低频信号放大的效果。对于这个电路的深入了解,可以通过调整偏置电阻R3来改变直流工作点并影响信号放大结果,仿真方法包括直流工作点测量、输入/输出波形对比以及傅里叶分析等。

最后的功率放大电路属于高频电路范畴,涉及到输入变压器的电压信号传输和分配、推挽功率放大器的信号放大以及输出变压器实现的信号合成等内容。电压波形的变化可以在对应节点安装示波器进行验证,而功率的变化用图1(b)输入节点12和输出节点4处的功率测量进行比较,主要体现的是电流变化,因此在相应节点加入CurrentProbe,然后用示波器进行测量,结果如图8所示,数值代表峰峰值。功率放大电路中两个变压器T1和T2的Multisim设置参数只有变压比,这个参数影响着8 Ω负载电阻变换到功率放大电路输入端的输入阻抗,可以通过拆分电路法计算低频放大电路的输出阻抗以及功率放大电路的输入阻抗,研究变压器的变压比参数对于阻抗匹配的影响,进而影响到最终的功率放大。

(a) 输入节点

3 针对案例的教学安排

案例设计离不开合理的教学安排[15],在“电子线路机助分析”课程开始,将收音机电路仿真作为本课程的大作业介绍给学生,简单描述收音机电路的整体框图。由于学生已经完成高/低频电路的学习,这个简介既是对已学知识的回顾,也是为后续教学内容提供一个明确而具体的学习/研究目标。

“电子线路机助分析”教学是根据“软件简介→器件+模型介绍→分析方法介绍→虚拟设备介绍→综合案例分析”的顺序开展的。针对本文的案例,在“器件+模型介绍”的教学中,增加针对多元化信号源的构成以及中周子电路设计的介绍和练习;在“分析方法介绍”的教学中,在案例电路拆解的基础上,增加交流分析、傅里叶分析和失真分析等方法与分立电路相关知识的介绍和练习;在“虚拟设备介绍”的教学中,示波器、波特图仪、频谱分析仪和失真分析仪等设备的介绍与案例的整体电路仿真练习相配合。在接近课程结束时,学生以小组形式开展整体案例电路的仿真分析工作并提交实验报告和PPT总结演示,最后教师根据实践报告和综合演讲效果打分。

将案例或拆解或整体地融入到教学过程中,使学生从始至终都在学习并且不断深入地了解案例内容,一方面实现了对于“高频电子线路”理论知识的回顾以及具体应用的体验,另一方面也通过将“电子线路机助分析”中的各项教学内容真实并集中地应用到一个具体案例分析设计上,锻炼了学生使用电路仿真软件开展设计调试的能力。

4 结语

针对“高频电子线路”课程,收音机电路被选为案例开展教学,该案例具有一定的知识覆盖特性,同时又具有普遍性,大大缩短学生学习理论知识与实际生活的距离。

案例与仿真软件的结合,可以弥补在真实实验中不容易实现如算法分析、电路拆分和多元化信号源合成等操作的不足;同时在实验设备应用方面,虚拟设备的学习和应用也为拓展相关领域的知识创造了一定的实验条件。

案例教学与计算机技术的结合还可以突破课堂教学/实验的限制,充分发挥虚拟平台的优势,学生在课余时间完成电路的仿真设计工作,时间更加充裕,可以加深对理论知识的认识,提高学习效率和学习兴趣。