楊光義， 金偉正， 王曉艷， 陳小橋

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430072)

0 引言

“高頻電子線路”課程(又稱“通信電子線路”，或稱“非線性電子線路”)是通信工程和電子信息工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它主要涉及高頻電子線路的工作原理、單元電路以及分析方法。作為“高頻電子線路”課程教學的一個重要組成部分，實踐環(huán)節(jié)對于學生理解課本知識、增進學習興趣、掌握知識要點、培養(yǎng)學生的動手能力起到了不可替代的作用。因此，很多高校在開設(shè)“高頻電子線路”課程的同時開設(shè)了與之配套的實驗課程[1～2]。

為了在節(jié)約實驗開支的同時，能更好地幫助學生掌握高頻電子線路常用測試儀器的使用方法、基本測試技術(shù)和設(shè)計手段，激發(fā)學生對實驗的興趣，提高教學質(zhì)量，我們使用了高頻電子線路實驗系統(tǒng)，這也是國內(nèi)大部分高校廣泛采用的實驗平臺。但大多數(shù)高頻電子線路實驗系統(tǒng)采用“底板+功能板”架構(gòu)，這種形式的實驗系統(tǒng)存在諸多不足之處：容易損壞、實驗效率無法提升、不利于提高學生學習興趣等[3～4]。

針對以上不足，本文介紹了我校通信工程實驗室自主研發(fā)制作的高頻電子線路實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)采用整體式架構(gòu)，功能齊全、布局合理、易于操作。

1 背景

目前市面上流行的高頻電子線路實驗系統(tǒng)大多采用“底板+功能板”架構(gòu)，外帶示波器、萬用表、信號發(fā)生器以及一些輔助工具。底板主要完成兩個功能：一是作為直流穩(wěn)壓電源，將市電220 V/50 Hz轉(zhuǎn)化為功能板可接受的直流電壓+15 V/+12 V/+8 V/+5 V；二是作為低頻信號發(fā)生器，產(chǎn)生10 KHz以下，幅度頻率可調(diào)的正弦信號。功能板采用模塊化結(jié)構(gòu)，將實現(xiàn)不同功能的電路分別制成不同的印制電路板。在實驗過程中，選取所需的功能板，將其通過與底板上設(shè)計的接插件連接，實現(xiàn)底板對功能板的供電和共地并進行實驗。

這種“底板+功能板”架構(gòu)雖然能夠滿足日常實驗的要求，但也存在著諸多不足。其中最突出的問題體現(xiàn)在兩個方面：

(1) “底板+功能板”架構(gòu)的先天結(jié)構(gòu)性缺陷：如果將高頻小信號調(diào)諧放大器和LC正弦波振蕩器由一塊功能板(簡稱G1)完成，模擬乘法器構(gòu)成的振幅調(diào)制器和調(diào)幅波信號的解調(diào)由另外一塊功能板(簡稱G2)完成，在實驗高峰期，如果同一天下午(14:00-17:30)進行G1實驗，晚上(18:00-21:30)進行G2實驗，要在有限的時間內(nèi)大量更換功能板，往往會給實驗教師造成繁重的勞動量。

(2) 損耗嚴重：頻繁的插拔導(dǎo)致接插件容易損壞，故障率居高不下，給實驗設(shè)備的維護帶來很大的維護成本和困難，嚴重影響實驗效果和實驗進度[5-7]。器件的損壞帶來的另外一個問題就是，有些器件無法及時得到補充，導(dǎo)致整個實驗系統(tǒng)無法正常工作，這在很大程度上會影響學生實驗的積極性。

2 實驗系統(tǒng)簡介

針對目前高頻電子線路實驗系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合“高頻電子線路”課程教學大綱和課程重點，在參考國內(nèi)外主流高頻電子線路實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計制作了一套高頻電子線路實驗系統(tǒng)(簡稱實驗系統(tǒng))。

2.1 實驗系統(tǒng)的特點

所設(shè)計的實驗系統(tǒng)主要有以下諸多方面的特點。

(1) 實驗系統(tǒng)采用整體式架構(gòu)設(shè)計思想，徹底克服了“底板+功能板”架構(gòu)的缺陷。這種設(shè)計的好處主要有以下幾個方面：首先，可以減輕實驗教師更換實驗板的負擔，確保實驗及時順利地進行；其次，方便學生實驗，學生可以直接使用實驗系統(tǒng)進行實驗，滿足不同進度的課程對于實驗系統(tǒng)的要求；再次，設(shè)備維護得到及時保障，實驗系統(tǒng)的維修變得簡單易行，不再會有插件損壞的情況，若實驗系統(tǒng)出現(xiàn)故障，通常情況下只需更換元器件即可，實驗室可以配備相應(yīng)的元器件供實驗系統(tǒng)更換，降低由于器件損壞而影響實驗進度的情況發(fā)生。

(2) 實驗系統(tǒng)的電源直接使用市電，安全可靠，易于使用。實驗系統(tǒng)設(shè)計了電壓轉(zhuǎn)換電路，將市電轉(zhuǎn)化為功能板所需的直流電壓。在使用過程中，只需插上市電，實驗系統(tǒng)就可以正常工作。這給學生進行實驗帶來了極大的方便，使學生可以將更多的注意力集中在對實驗電路的理解、整個實驗過程的操作以及對實驗結(jié)果的分析上。

(3) 設(shè)計了過壓過流保護功能。此項功能既確保了實驗者的安全，也使得電路不易被損壞，延長了實驗系統(tǒng)的使用壽命。

(4) 電路元件主要采用貼片封裝，大部分放置在電路板的背面，采用貼片式封裝克服了雙列直插芯片的不足。雙列直插的芯片在使用時，一般放置在電路板的正面，在日常使用過程中，難免會因為灰塵或觸碰而造成損壞，采用貼片封裝的元件延長了整個系統(tǒng)的使用期限，也使得學生更加直觀清晰地看到實驗電路的構(gòu)建方案。同時，采用貼片封裝的元器件能極大地降低電路板面積。

(5) 連接采用“短路子”方式，關(guān)鍵點設(shè)置測試端子，“短路子”的使用，可以方便學生比較不同的電路形式對于實驗結(jié)果的影響。在實驗過程中，將示波器的探頭連接到各測試端子處，可以觀察到信號在電路中的變化，使學生更深刻地理解實驗原理，有助于學生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題。

(6) 各種高頻信號盡量由系統(tǒng)自身生成，減少對外置信號發(fā)生器等實驗儀器的依賴，達到易于操作的目的。也使實驗過程中信號連接線在很大程度上減少，實驗電路更為清晰，學生可以將更多的時間和精力用于對實驗電路的深入理解與掌握上。

(7) 各個實驗單元電路既可以獨立完成實驗，也可以互相級聯(lián)組成一個較完整的高頻系統(tǒng)進行系統(tǒng)實驗。

(8) 部分電路還設(shè)置了耳機話筒等接口，增加了綜合性、系統(tǒng)性和趣味性[8]。對于一些學有余力并且對高頻電路有著濃厚興趣的學生，實驗系統(tǒng)給他們提供了課外設(shè)計與研究的機會。同時，實驗系統(tǒng)豐富的外設(shè)接口可以滿足不同實驗的要求，激發(fā)了學生的研究興趣，也使得實驗系統(tǒng)更為完善。

2.2 實驗系統(tǒng)的組成

基于整體式架構(gòu)的設(shè)計思想，綜合考慮“高頻電子線路”課程涉及的實驗內(nèi)容，實驗系統(tǒng)上可實現(xiàn)19個獨立的實驗電路，如表1所示。所有的實驗項目都集成在一塊印制電路板上，除了總電源開關(guān)外，每個單元電路均配備有小開關(guān)，可獨立控制每個單元的供電。實驗系統(tǒng)實物如圖1所示。

表1 高頻電子線路實驗系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗

(a)實驗系統(tǒng)內(nèi)部圖

(b)實驗系統(tǒng)外觀圖圖1 高頻電子線路實驗系統(tǒng)實物圖

以實驗系統(tǒng)為平臺可以開設(shè)的基礎(chǔ)實驗有：小信號放大單級單調(diào)諧、小信號放大單級雙調(diào)諧、三點式振蕩器、功放與倍頻、集成壓控振蕩、振幅調(diào)制二極管檢波、模擬乘法器構(gòu)成的調(diào)幅器、模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波、三極管混頻器、集成混頻器、模擬乘法器構(gòu)成的混頻器、變?nèi)荻O管調(diào)頻、變?nèi)荻O管調(diào)頻倍頻、集成電抗管調(diào)頻、比例鑒頻器、乘法鑒頻器、集成鑒頻器、鎖相環(huán)綜合實驗電路和鎖相環(huán)調(diào)頻發(fā)射接收系統(tǒng)。實驗內(nèi)容以突出高頻模擬電路基礎(chǔ)實驗為出發(fā)點，涉及“高頻電子線路”的各個章節(jié)。實驗電路盡量采用各種不同的實現(xiàn)手段，涉及更多種類的高頻基礎(chǔ)器件，實現(xiàn)相同的實現(xiàn)功能，既便于學生掌握高頻電子線路的基本工作原理，又能全面了解實用的工程應(yīng)用技術(shù)，真正做到學以致用、融會貫通。

3 實驗系統(tǒng)應(yīng)用舉例[9～11]

3.1 變?nèi)荻O管調(diào)頻

高頻振蕩的瞬時頻率隨調(diào)制信號作線性改變，叫做頻率調(diào)制，簡稱調(diào)頻[12]。產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法很多，本實驗系統(tǒng)共設(shè)計了三種不同的調(diào)頻電路，其中，變?nèi)荻O管調(diào)頻是一種最基本的直接調(diào)頻電路，它將受到調(diào)制信號控制的可變電容與振蕩回路連接，直接控制振蕩回路中的電容發(fā)生變化，從而改變振蕩器的瞬時頻率，電路如圖2所示。

圖2 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路圖

圖2中，BG2為高頻三極管9018，設(shè)置為共基組態(tài)，它與電容C5、電容C7、電容C11、變?nèi)荻O管VD1及電感L2組成電容三端式改進型電路——西勒電路，完成振蕩功能。振蕩信號經(jīng)電容C4加在三極管BG1的基極，從三極管BG1發(fā)射極輸出。改變電位器RW3，可改變輸出信號ν0(t)的大小。變?nèi)荻O管VD1工作在反偏狀態(tài)，電源電壓通過電阻R3及電位器RW2分壓，給變?nèi)荻O管VD1提供反偏電壓，調(diào)節(jié)電位器RW2可使得變?nèi)荻O管VD1的反偏電壓在0～10 V之間變化；調(diào)制信號νΩ(t)通過電容C9及高頻扼流圈L1加在VD1的兩端，使變?nèi)荻O管的反偏電壓隨調(diào)制信號變化，從而實現(xiàn)變?nèi)荻O管調(diào)頻。

調(diào)整振蕩信號為fc=10.2 MHz/VPP=150 mV，調(diào)制信號為fΩ=1 KHz/VPP=1 V時，得到實驗波形如圖3所示。通過這個實驗，學生可以更好的了解變?nèi)荻O管調(diào)頻電路原理、構(gòu)成以及測量方法。

圖3 變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗波形

3.2 乘積型混頻器

混頻器是一種典型的頻率變換電路，即將某一頻率的輸入信號變換成另一頻率的輸出信號，而保持原有調(diào)制規(guī)律不變，其輸出信號的頻率是兩個輸入信號頻率的和頻或差頻?；祛l按工作原理可分為兩大類：疊加型混頻和乘積型混頻。疊加型混頻是先將信號電壓和本振電壓疊加，再作用于非線性器件上實現(xiàn)混頻。乘積型混頻是將輸入信號和本振信號通過模擬乘法器直接相乘而實現(xiàn)。實驗系統(tǒng)共設(shè)計了三種不同的混頻電路，下面以乘積型混頻器為例介紹，電路如圖4所示。

圖4 乘積型混頻器電路圖

輸入信號Vs(t)為f=6.5 MHz/VPP=100 mV的正弦波。本振信號VL(t)為f=10 MHz/VPP=200 mV的正弦波。兩路信號均由高頻信號發(fā)生器提供，同時作用于乘法器MC1496輸入端。乘法器輸出采用單端輸出方式。帶通濾波器為LC并聯(lián)諧振回路，設(shè)計其中心頻率為3.5 MHz。

由于電感、電容實際值的偏差，需要改變輸入信號Vs(t)或者本振信號VL(t)的頻率，找到混頻輸出最大值，實驗得到的波形如圖5所示，混頻輸出VI(t)為f=3.86 MHz/VPP=3.14 mV,混頻增益AC=VIm/Vsm=3.14。通過這個實驗，學生可以掌握由集成模擬乘法器實現(xiàn)的混頻器電路的設(shè)計及頻率變換的物理過程，深刻理解混頻電路的基本概念。

圖5 乘積型混頻器實驗波形

4 結(jié)語

本文介紹的高頻電子線路實驗系統(tǒng)，從2013年正式投入本科教學以來，師生普遍反映良好。實踐證明，高頻電子線路實驗系統(tǒng)在高頻電子線路實驗教學中發(fā)揮了較大作用，不僅能滿足高頻電子線路相關(guān)課程日常教學的需求，還給學生提供了良好的實驗平臺，拓展了學生自主發(fā)揮的空間，極大地調(diào)動了學生對高頻電子線路的學習熱情，值得在兄弟院校中推廣使用。在此，特別感謝我校設(shè)備處的支持與幫助。