薛 雪, 劉曉文, 陳桂真, 梁 睿

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法

波形發(fā)生器開放實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

薛 雪, 劉曉文, 陳桂真, 梁 睿

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

介紹了開放實(shí)驗(yàn)“波形發(fā)生器”選題的目的和意義,以及具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求。闡述了實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)學(xué)生的引導(dǎo),給出了實(shí)驗(yàn)參考電路,分析和討論了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)踐證明,該開放實(shí)驗(yàn)取得了良好的教學(xué)效果,提高了實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備的利用率,培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)和面對(duì)復(fù)雜實(shí)際問題的主動(dòng)探索精神,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)開設(shè)的預(yù)期目的。

開放實(shí)驗(yàn)； 波形發(fā)生器； 工程意識(shí)； 實(shí)踐能力

電路實(shí)驗(yàn)是工科電類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力,對(duì)提高學(xué)生素質(zhì)、培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才有著極其重要的作用[1]。借鑒國(guó)內(nèi)各高校開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及學(xué)生所掌握的電路理論知識(shí)基礎(chǔ)上,對(duì)電路實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開放,設(shè)計(jì)了“波形產(chǎn)生器”開放實(shí)驗(yàn),將經(jīng)典實(shí)驗(yàn)與學(xué)科前沿實(shí)驗(yàn)結(jié)合、基本實(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與激發(fā)學(xué)生興趣及密切聯(lián)系實(shí)際相結(jié)合等方面進(jìn)行探索,目的在于通過電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室在人才培養(yǎng)中的作用,不斷提升學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[2-5]。

1 實(shí)驗(yàn)選題的目的和意義

(1) 工程應(yīng)用背景。波形發(fā)生器作為一種常見的信號(hào)源,是現(xiàn)代測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一。在研制、生產(chǎn)、測(cè)試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí),都需要有信號(hào)源,它可以產(chǎn)生多種波形信號(hào),如正弦波、三角波、方波等,因而廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。通過介紹,引起學(xué)生的好奇和興趣。

(2) 知識(shí)綜合融合。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及到電路理論課程中運(yùn)算放大器、網(wǎng)絡(luò)函數(shù)、動(dòng)態(tài)電路的分析等大部分知識(shí)點(diǎn),是電路理論知識(shí)、電路設(shè)計(jì)、測(cè)量技術(shù)及方法和儀器設(shè)備使用、獨(dú)立分析及解決問題等的綜合案例[6-7]。軟件知識(shí)主要涉及Multisim的基本使用方法,硬件知識(shí)涉及實(shí)物焊接及調(diào)試。通過一個(gè)完整的實(shí)際工程設(shè)計(jì)問題——方案設(shè)計(jì)、理論分析、仿真研究、焊接電路、最終整體調(diào)試的完整訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。

(3) 實(shí)驗(yàn)方法多樣性。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)技術(shù)需求設(shè)計(jì)電路、選擇元器件、軟件仿真、硬件焊接,通過測(cè)試與分析對(duì)項(xiàng)目做出技術(shù)評(píng)價(jià)。在實(shí)現(xiàn)方法上,首先通過Multisim仿真軟件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案、選取參數(shù)的可行性；其次進(jìn)行實(shí)物焊接和測(cè)試,比較理論計(jì)算、軟件仿真結(jié)果與實(shí)際電路輸出結(jié)果,分析誤差原因。通過軟硬件結(jié)合,使學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)到完成一個(gè)工程實(shí)踐項(xiàng)目所需要的完整過程。做硬件對(duì)大二學(xué)生來說是一次挑戰(zhàn),第一次獨(dú)立地選擇元器件，第一次接觸到電容的耐壓值、電阻的功率、變壓器的容量等元件的術(shù)語，第一次獨(dú)立將分離的元件焊成電路，當(dāng)電路調(diào)試成功時(shí)第一次享受到自制電路的成功喜悅。該實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維,深受學(xué)生歡迎。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)波形發(fā)生器,實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、三角波的輸出。為了適用不同水平能力的學(xué)生,進(jìn)行分層次教學(xué),根據(jù)學(xué)生興趣及能力的不同,完成不同要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,做到因材施教。

2.1 基本內(nèi)容

2.1.1 第1層次:仿真及分析

(1) 設(shè)計(jì)一個(gè)RC橋式振蕩電路,選取合適的參數(shù),實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出,要求輸出信號(hào)頻率在1 kHz左右,信號(hào)幅度不小于5 V。

(2) 應(yīng)用運(yùn)算放大器的飽和電壓外特性,將正弦波轉(zhuǎn)換為同頻率的方波。

(3) 應(yīng)用一階動(dòng)態(tài)電路的知識(shí),設(shè)計(jì)RC積分電路,并選擇合適的參數(shù)將方波信號(hào)變換為三角波信號(hào)。

(4) 設(shè)計(jì)濾波電路,選擇合適的參數(shù),濾掉高次諧波,將三角波信號(hào)還原到正弦波。

(5) 采用Multisim仿真軟件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案及選取參數(shù)的可行性。

(6) 將濾波輸出的正弦波與振蕩產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行比較,觀察幅值、頻率的變化,分析原因。

2.1.2 第2層次:實(shí)物搭接

在通用萬能板上焊接實(shí)物電路,并進(jìn)行測(cè)試,比較理論計(jì)算、軟件仿真結(jié)果與實(shí)際電路輸出結(jié)果,分析誤差原因。

2.2提高內(nèi)容(第3層次)

(1) 學(xué)習(xí)LC正弦波振蕩電路工作原理,設(shè)計(jì)電路和參數(shù),完成軟件仿真和測(cè)試,根據(jù)結(jié)果比較分析RC振蕩電路與正弦波振蕩電路的優(yōu)缺點(diǎn),如振蕩頻率、振蕩幅度、輸出功率、應(yīng)用場(chǎng)合等；

(2) 學(xué)習(xí)用折線逼近法的工作原理,將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波,設(shè)計(jì)電路和參數(shù),實(shí)現(xiàn)軟件仿真,與濾波法進(jìn)行比較。

3 實(shí)驗(yàn)

圖1為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,可以看出,整個(gè)系統(tǒng)可以分成4個(gè)部分,要求學(xué)生逐級(jí)設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與指導(dǎo)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,在以下方面加強(qiáng)對(duì)學(xué)生引導(dǎo):

(1) 了解各種類型正弦波振蕩器的作用、工作原理和適應(yīng)場(chǎng)合；重點(diǎn)掌握RC橋式振蕩電路,通過電路課程中所學(xué)的相關(guān)理論分析該電路的工作原理、起振條件和穩(wěn)幅方法,設(shè)計(jì)參數(shù)并給出相應(yīng)理論依據(jù)、推導(dǎo)與驗(yàn)算過程[8-10]。

(2) 設(shè)計(jì)RC橋式振蕩電路的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分,但是由這兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波,這是由于很難控制正反饋的量:如果正反饋量大,則增幅,輸出幅度越來越大,最后由放大電路的非線性限幅必然產(chǎn)生非線性失真；反之,如果正反饋量不足,則減幅,可能停振,為此在實(shí)際振蕩電路中通常要有一個(gè)穩(wěn)幅電路。

(3) 在方波轉(zhuǎn)換為三角波的電路中,根據(jù)方波頻率、一階電路的時(shí)間常數(shù)計(jì)算積分電路中電阻和電容的參數(shù),注意觀測(cè)三角波幅值的變化。

(4) 在三角波轉(zhuǎn)換為正弦波時(shí),所用到的低通濾波器,要根據(jù)截止頻率設(shè)計(jì)所需電阻、電容參數(shù),注意觀測(cè)正弦波幅值的變化。

(5) 在軟件仿真的時(shí)域分析中,滑動(dòng)變阻器的選取很關(guān)鍵,選得稍大,負(fù)反饋過強(qiáng),電路不起振或振幅?。贿x得稍小,負(fù)反饋過弱,出現(xiàn)非線性失真。時(shí)域分析的觀察時(shí)間應(yīng)稍長(zhǎng),要觀察到電路的起振。

(6) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所能提供的條件列出元器件清單,在萬能板上完成系統(tǒng)的焊接和測(cè)試。注意焊接時(shí)不要短路和外接電源、接地的接口的焊接,并把要測(cè)試的信號(hào)用導(dǎo)線引到排針上方便測(cè)試。測(cè)試過程中,滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)仍然很重要。觀測(cè)波形,分析波形失真或者誤差原因。

(7) 在完成必做內(nèi)容后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展性思考:①本實(shí)驗(yàn)是按照正弦波—方波—三角波—正弦波的順序進(jìn)行設(shè)計(jì),可不可以換個(gè)順序？②自激振蕩產(chǎn)生正弦波,還有沒有別的方法？效果會(huì)比RC橋式電路好嗎？③把積分電路和低通濾波器這兩部分與集成運(yùn)放結(jié)合起來設(shè)計(jì)電路,會(huì)不會(huì)有更好的效果？④設(shè)計(jì)R、C具體參數(shù)時(shí),是不是任意選參數(shù)值、只要滿足相應(yīng)的推導(dǎo)關(guān)系就行呢？⑤三角波轉(zhuǎn)換成正弦波,濾波以后,輸入和輸出的波形在時(shí)間軸上有什么關(guān)系？只有濾波這一種方法嗎？⑥給出的實(shí)驗(yàn)方案產(chǎn)生的波形的頻率有沒有變化？如果想產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)頻率的波形應(yīng)該怎么辦？

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1軟件仿真

設(shè)計(jì)好電路后,采用MultiSim軟件完成仿真[11-13],記錄每一部分產(chǎn)生的波形。圖2是該實(shí)驗(yàn)的整個(gè)參考電路圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)參考電路

在過零比較器電路中,由于是要考慮實(shí)際的集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器,可以考慮加限幅措施,避免運(yùn)放內(nèi)部管子進(jìn)入深度飽和區(qū),來提高響應(yīng)速度。在積分電路和低通濾波器電路中,注意參數(shù)的選取。圖4是整個(gè)電路所需要的4種輸出波形,要求學(xué)生比較濾波電路輸出的正弦波與RC振蕩器產(chǎn)生的正弦波的幅值、頻率、相位,注意靈敏度的選取,分析幅值、相位變化的原因。

3.2.2 實(shí)物焊接與調(diào)試

根據(jù)系統(tǒng)仿真電路圖,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,列出元器件清單,在萬能板上完成系統(tǒng)的焊接和測(cè)試。注意焊接時(shí)不要短路和外接電源、接地點(diǎn)接口的焊接,并把要測(cè)試的信號(hào)用導(dǎo)線引導(dǎo)到排針上以方便測(cè)試。仔細(xì)調(diào)節(jié)RC橋式電路中的參數(shù),確保電路能產(chǎn)生自激振蕩。觀測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)的輸出波形,如果波形失真,分析波形失真的原因并且提出改進(jìn)措施。學(xué)生將設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)物搭接后,并不能保證所有的實(shí)物電路能夠符合要求,因此可以設(shè)置課外2～4個(gè)學(xué)時(shí)對(duì)這些電路進(jìn)行原因排查。

圖3 正弦振蕩電路輸出波形

圖4 整個(gè)電路4種輸出波形

4 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)具有一定的工程背景,將實(shí)際問題與教學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來,促使學(xué)生積極思考。分層次教學(xué),根據(jù)學(xué)生興趣及能力的不同,完成不同要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。采用軟件仿真與硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析相結(jié)合的方式,使學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實(shí)驗(yàn)過程中,切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)依托“中國(guó)礦業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目”開設(shè),面向我校電類相關(guān)專業(yè)進(jìn)行開放,學(xué)生自由選擇,在課外時(shí)間完成，不影響正常的教學(xué)計(jì)劃,而且學(xué)校規(guī)定,學(xué)生完成該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目每16學(xué)時(shí),且成績(jī)合格,可獲得1個(gè)創(chuàng)新學(xué)分。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開設(shè)了2個(gè)學(xué)期,共計(jì)40名學(xué)生選課,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和反饋意見表明該實(shí)驗(yàn)取得了良好的教學(xué)效果,提高了實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備的利用率,調(diào)動(dòng)了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的積極性,達(dá)到了預(yù)期目的。

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Practice of opening experiment related to waveform generator

Xue Xue, Liu Xiaowen, Chen Guizhen, Liang Rui

(College of Information and Electric Engineering, Chinese Mineral University of Technology, Xuzhou 221116,China)

This paper presents an opening experiment related to waveform generator. It introduces the purpose, the concrete contents and requirements of the experiment. The reference circuit is presented. The experimental results are analyzed and discussed. Practice proves that the opening experiment gets a better teaching quality, increases the efficiency of laboratory and the instruments and equipment, and cultivates the students’ engineering consciousness and the spirit of exploration to the complex practical problems. It reaches the expected purpose of the experiment.

opening experiment; waveform generator; engineering consciousness; practical ability

2015- 04- 03

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教學(xué)名師培育工程項(xiàng)目(MSCC0003);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)校級(jí)課程建設(shè)與教學(xué)改革項(xiàng)目(2014WK05);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目

薛雪(1980一)，女，江蘇徐州，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娐放c系統(tǒng)及智能控制等.

E-mail：cumtxx@126.com

TN710;G642.0

B

1002-4956(2015)12- 0036- 04