电子电路与综合实验课程建设研究与实践

电子电路与综合实验课程建设研究与实践

田　玲　黎　飞

（东南大学电工电子实验中心，江苏南京，210096）

【摘要】　“电子电路与综合实验”课程是电子、信息、通信类等专业学生重要的基础实践环节之一，主要内容包括混频器、射频功率放大器、模拟调幅调频通信收发系统实验及常用仪器的使用。为了更好地在32个课时内完成本课程的理论和实践教学，同时要帮助学生理解无线通信系统电路单元和系统级的概念，培养较强的动手能力，本文从本课程开设的必要性入手，提出了本课程建设的途径，从理论和实践角度阐明了本课程建设的途径。教学实践表明，达到了预期的教学效果。

【关键词】　电子电路与综合实验　理论教学　实践教学　通信系统

【中图分类号】　TN70；G6421423　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2006）06－0003－03

1．引言

“电子电路与综合实验”课程是电子、信息、通信类等专业重要的技术基础实践环节，旨在培养学生分析问题和解决问题的能力。课程主要内容包括：常用仪器的使用、混频器、射频功率放大器电路、模拟调幅调频调制与解调电路。实验课程有助于学生理解通信电子线路课程中各单元电路的组成、工作原理、元件与组件的作用及参数的选择，掌握单元电路的基本设计方法。

本文探讨了“电子电路与综合实验”课程建设的重要性和意义，提出了采用启发式教学、问题式教学等方法，加强对学生已学电路基础知识的理解和掌握；还自主设计并制作了教学实验电路板。这样一来，学生既可以做单元电路实验，又可以把各个单元电路联接起来进行通信射频前端系统的实验。最后总结了教学实践环节中的一些经验体会，提出进一步改革的方向。

2．本实验课程改革的必要性

大多数学生在“电子线路”课程的学习过程中都感到模拟电路比较难学，分析和理论推导较多，加上模拟通信电路的分析设计难度较大，电路调试复杂，因此有畏惧心理；即便是电子线路课程掌握比较好的学生，也只是了解单元电路的工作原理，并不清楚这些单元电路是如何应用于通信系统中的。

虽然市场上有与本课程内容接近的通信电子电路教学实验仪器箱，或者高频电路教学实验箱，但它们不能充分满足实验的教学要求。这些教学仪器主要有两大问题：一是以独立单元电路为主，重点在于高频电路方面，没有构成完整的通信系统，学生学习完实验后并不理解各个单元电路是如何在通信系统中应用的；二是实验箱一般由一大块印刷电路板构成，每个单元电路完成独立的功能，难以实施启发式教学。学生只是按照简单操作步骤输入信号，观察输出信号。做完实验后学生只知道这种电路能完成这样的功能，而不了解电路设计思想是什么，关键元件的参数如何选取，作为系统应用其指标如何分配等具体问题。由于启发性的内容很少，一般这样的实验做起来很快，一节课可以做好几个实验。

因此，本课程建设的目的和意义非常明确，重在通信系统的构成和应用，按教学要求自主设计和小批量制造实验电路板，激发学生对学习通信电路的兴趣，加强学生对电路的分析设计能力。

3．理论教学建设

“电子电路与综合实验”课程的理论教学，重点在于基本原理和基本方法。尽量把学生学过的专业基础课知识应用于本实验课程教学中。同时，让学生明白在高频电路中尤其是射频频段会有很多和低频电路不一样的现象，如分布参数的影响、互调干扰等。本实验课程理论部分的主要内容包括：常用仪器的使用、混频器、射频功率放大器、模拟调幅调频调制与解调收发通信系统基本理论知识。下面简单介绍一下本课程的理论教学建设的一些具体措施。

（1）常用仪器的使用

这部分主要以示波器和频谱仪的基本原理介绍与操作使用为主。在示波器的讲解中，把示波器分为模拟示波器ART（Analog Real Time）、数字示波器DSO（Digital Storage Oscilloscope）和数字荧光示波器DPO（Digital Phosphor Oscilloscope），让学生了解DPO结合了ART与DSO的优点，能对输入信号进行实时显示、存储分析信号的三维数据，即幅度、时间以及幅度随时间的变化。还举例说明示波器的主要技术指标，如带宽、线性范围、采样率、捕获模式和触发等与测量精度的关系；重点阐述三倍原则，即精确测量工具的系统带宽至少是待测信号最高频率的3倍。也会介绍示波器探头带宽、输入阻抗、接地线长度等对测量精度的影响。在讲解频谱仪的使用时，与示波器进行比较，说明频谱仪主要测量信号频率、谐波分量、信号功率、交调分量和信号边带。结合接收机原理，说明频谱仪也是一台超外差接收机。

（2）混频器

由于学生在电子线路中没有学习过混频器，在这里要让学生建立起混频器是由非线性器件来实现的概念。把这部分内容为三部分：①非线性器件的特点；②从时域和频域上讲解混频原理；③实用的混频电路结构，重点介绍吉尔伯特混频单元电路。在这部分实验内容的介绍中，用提出实际问题的教学法以及引起学生的思考，介绍了直放式接收机、一次变频和二次变频超外差接收机的特点。

（3）射频功率放大器

主要让学生理解在电子线路学过的小信号放大器和射频功率放大器的区别，射频功率放大器的分类、特点及窄带L型阻抗匹配网络的设计方法。

（4）模拟调频、调幅与解调电路及收发系统

这里重在采用比较分析的方法，把AM、DSB、SSB三种模拟调幅系统进行比较，说明各种调制产生的方法和如何相互转换。在学生理解各单元电路的前提下，再讲解由各单元所构成的相应AM、FM模拟通信系统。

4．实验教学重点

上述的理论讲解结合问题式教学方法可以达到更好的教学效果。笔者选出下面一组问题，作为本课程理论教学的主线，这些主线问题高度概括了本课程的教学重点，能够很好地理解这些问题就基本掌握了这门课程的理论部分。这组问题开列如下：

（1）示波器分为哪三大类？每一类示波器的主要特点是什么？

（2）示波器的哪些指标对测量精度的影响比较大？

（3）频谱仪主要测量信号的哪些参数？

（4）频谱仪在结构上与示波器最主要的差别在哪里？

（5）混频器必须用非线性器件才能实现吗？为什么？其两个输入端信号能不能交换次序？为什么？

（6）二次变频超外差接收机是如何提高接收选择性和抑制镜频干扰的？

（7）射频功率放大器如何分类？其特点是什么？

（8）AM、DSB、SSB调制与解调电路的框图是怎样的？这几种调制解调电路之间的相互联系是什么？

（9）如果用单音信号进行调频时，是如何分别把调制信号与基带信号的幅度、频率信息加载到FM波中的？

（10）如何采用移相乘积法实现FM解调？

（11）如果用单音信号，分别说明进行AM、DSB、SSB及FM调制所占的信号带宽是多少。

5．实验教学建设

针对现有的教学仪器存在的问题，结合本课程理论教学的主线，我们自主开发了与本课程配套的教学实验电路板。该实验装置不是简单地罗列各个电路功能模块，而是模块与系统的统一。

在让学生动手测试和熟悉了基本单元电路模块的基本功能后，把这些单元电路级联起来构成模拟调幅与调频通信系统。例如：在设计DSB、SSB调制解调电路时，先让学生做完乘法电路、滤波器电路和射频A类功率放大器实验，然后再把这些单元电路分别应用于AM、DSB、SSB调制解调系统。这种循序渐进的教学方法，使学生明白了高频电子电路与低频电子线路的区别。

在示波器的使用实验中，除了这些测量周期信号的频率、幅度基本功能以外，还增加了对非周期突变信号进行捕获、示波器带宽和输入阻抗对测量精度的影响等实验。例如，对于测量同一个方波信号的上升沿时间，分别用示波器探头的1MΩ与10MΩ输入阻抗档测量，所得到的结果是不一样的。这些测量实例，更能引起学生的思考，使学生更好地掌握了示波器的使用。

设计实验电路还要培养学生分析和解决问题的能力。绝大多数学生做实验时把电路板接上电源，输入交流信号后就直接在输出端测量动态结果，如果输出端无信号就不知所措。而在本实验中，则让学生先进行关键点直流电位测试与分析，再加动态信号测试。这样做的好处是让学生牢固建立起电路正常工作的前提是直流偏置和静态工作点的正确观念。

在电路实验教学过程中指导教师要及时解答学生对一些基本概念的疑问，这样可以加深学生的印象。比如，观察一个正弦波振荡电路的振荡频率与幅度，很多学生用频谱仪（输入阻抗50Ω）测量振荡器输出波形。结果发现即使直流工作点正确，也看不到信号输出。对于这种情况，教师要向学生说明，当示波器或频谱仪不是高阻输入时，振荡器会停振。解决的办法是用示波器10MΩ阻抗探头，或通过射极跟随器隔离后用频谱仪或示波器进行测量。

6．结语

本课程已作为我校实验教学改革项目，取得了良好的教学效果，大大激发了学生的学习兴趣，受到学生欢迎。但随着数字通信技术和射频集成电路的不断发展，本课程仅限于模拟电路实验就显现出不足之处。进一步的实验课程建设可由教师结合现代通信技术的发展，自主开发实验系统和编写相应的实验教材，依托电工电子实验中心高频实验平台，更好地完成实验教学工作。

参考文献：

［1］　樊昌信，等．通信原理（第五版）［M］．北京：国防工业出版社，2001

［2］　曹志刚，钱亚生．现代通信原理［M］．北京：清华大学出版社，1999

［3］　张肃文，陆兆熊．高频电子线路［M］．北京：高等教育出版社

［4］　刘静波．高频电子线路实践教学的建设和探索［J］．南京：电气电子教学学报，2006，28（4）：87－90

（原载于《电气电子教学学报》，2006年第6期）