高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

楊光義， 金偉正， 王曉艷， 陳小橋

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)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(xué)的一個(gè)重要組成部分，實(shí)踐環(huán)節(jié)對于學(xué)生理解課本知識、增進(jìn)學(xué)習(xí)興趣、掌握知識要點(diǎn)、培養(yǎng)學(xué)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(shí)開設(shè)了與之配套的實(shí)驗(yàn)課程[1～2]。

為了在節(jié)約實(shí)驗(yàn)開支的同時(shí)，能更好地幫助學(xué)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(jì)手段，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，我們使用了高頻電子線路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這也是國內(nèi)大部分高校廣泛采用的實(shí)驗(yàn)平臺。但大多數(shù)高頻電子線路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用“底板+功能板”架構(gòu)，這種形式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在諸多不足之處：容易損壞、實(shí)驗(yàn)效率無法提升、不利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等[3～4]。

針對以上不足，本文介紹了我校通信工程實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)制作的高頻電子線路實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)現(xiàn)不同功能的電路分別制成不同的印制電路板。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取所需的功能板，將其通過與底板上設(shè)計(jì)的接插件連接，實(shí)現(xiàn)底板對功能板的供電和共地并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

這種“底板+功能板”架構(gòu)雖然能夠滿足日常實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)高峰期，如果同一天下午(14:00-17:30)進(jìn)行G1實(shí)驗(yàn)，晚上(18:00-21:30)進(jìn)行G2實(shí)驗(yàn)，要在有限的時(shí)間內(nèi)大量更換功能板，往往會給實(shí)驗(yàn)教師造成繁重的勞動量。

(2) 損耗嚴(yán)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(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)帶來很大的維護(hù)成本和困難，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度[5-7]。器件的損壞帶來的另外一個(gè)問題就是，有些器件無法及時(shí)得到補(bǔ)充，導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無法正常工作，這在很大程度上會影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

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

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有以下諸多方面的特點(diǎn)。

(1) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用整體式架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，徹底克服了“底板+功能板”架構(gòu)的缺陷。這種設(shè)計(jì)的好處主要有以下幾個(gè)方面：首先，可以減輕實(shí)驗(yàn)教師更換實(shí)驗(yàn)板的負(fù)擔(dān)，確保實(shí)驗(yàn)及時(shí)順利地進(jìn)行；其次，方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直接使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，滿足不同進(jìn)度的課程對于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求；再次，設(shè)備維護(hù)得到及時(shí)保障，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，通常情況下只需更換元器件即可，實(shí)驗(yàn)室可以配備相應(yīng)的元器件供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更換，降低由于器件損壞而影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的情況發(fā)生。

(2) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電源直接使用市電，安全可靠，易于使用。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就可以正常工作。這給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)帶來了極大的方便，使學(xué)生可以將更多的注意力集中在對實(shí)驗(yàn)電路的理解、整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的操作以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析上。

(3) 設(shè)計(jì)了過壓過流保護(hù)功能。此項(xiàng)功能既確保了實(shí)驗(yàn)者的安全，也使得電路不易被損壞，延長了實(shí)驗(yàn)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(shí)，一般放置在電路板的正面，在日常使用過程中，難免會因?yàn)榛覊m或觸碰而造成損壞，采用貼片封裝的元件延長了整個(gè)系統(tǒng)的使用期限，也使得學(xué)生更加直觀清晰地看到實(shí)驗(yàn)電路的構(gòu)建方案。同時(shí)，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(diǎn)設(shè)置測試端子，“短路子”的使用，可以方便學(xué)生比較不同的電路形式對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在實(shí)驗(yàn)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(xué)生更深刻地理解實(shí)驗(yàn)原理，有助于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器的依賴，達(dá)到易于操作的目的。也使實(shí)驗(yàn)過程中信號連接線在很大程度上減少，實(shí)驗(yàn)電路更為清晰，學(xué)生可以將更多的時(shí)間和精力用于對實(shí)驗(yàn)電路的深入理解與掌握上。

(7) 各個(gè)實(shí)驗(yàn)單元電路既可以獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，也可以互相級聯(lián)組成一個(gè)較完整的高頻系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

(8) 部分電路還設(shè)置了耳機(jī)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(xué)有余力并且對高頻電路有著濃厚興趣的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給他們提供了課外設(shè)計(jì)與研究的機(jī)會。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)豐富的外設(shè)接口可以滿足不同實(shí)驗(yàn)的要求，激發(fā)了學(xué)生的研究興趣，也使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更為完善。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

基于整體式架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，綜合考慮“高頻電子線路”課程涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)19個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)電路，如表1所示。所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都集成在一塊印制電路板上，除了總電源開關(guān)外，每個(gè)單元電路均配備有小開關(guān)，可獨(dú)立控制每個(gè)單元的供電。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。

表1 高頻電子線路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

(a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部圖

(b)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外觀圖圖1 高頻電子線路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

以實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺可以開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)電路和鎖相環(huán)調(diào)頻發(fā)射接收系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以突出高頻模擬電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，涉及“高頻電子線路”的各個(gè)章節(jié)。實(shí)驗(yàn)電路盡量采用各種不同的實(shí)現(xiàn)手段，涉及更多種類的高頻基礎(chǔ)器件，實(shí)現(xiàn)相同的實(shí)現(xiàn)功能，既便于學(xué)生掌握高頻電子線路的基本工作原理，又能全面了解實(shí)用的工程應(yīng)用技術(shù)，真正做到學(xué)以致用、融會貫通。

3 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)，得到實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)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(shí)驗(yàn)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(gè)輸入信號頻率的和頻或差頻。混頻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(shí)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(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)其中心頻率為3.5 MHz。

由于電感、電容實(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握由集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)的混頻器電路的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)語

本文介紹的高頻電子線路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從2013年正式投入本科教學(xué)以來，師生普遍反映良好。實(shí)踐證明，高頻電子線路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)的需求，還給學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺，拓展了學(xué)生自主發(fā)揮的空間，極大地調(diào)動了學(xué)生對高頻電子線路的學(xué)習(xí)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。