波形發(fā)生器開放實驗實踐

薛 雪, 劉曉文, 陳桂真, 梁 睿

(中國礦業(yè)大學 信電學院, 江蘇 徐州 221116)

實驗技術(shù)與方法

波形發(fā)生器開放實驗實踐

薛 雪, 劉曉文, 陳桂真, 梁 睿

(中國礦業(yè)大學 信電學院, 江蘇 徐州 221116)

介紹了開放實驗“波形發(fā)生器”選題的目的和意義,以及具體的實驗內(nèi)容和要求。闡述了實驗過程中對學生的引導,給出了實驗參考電路,分析和討論了實驗結(jié)果。實踐證明,該開放實驗取得了良好的教學效果,提高了實驗室和儀器設(shè)備的利用率,培養(yǎng)了學生的工程意識和面對復雜實際問題的主動探索精神,達到了實驗開設(shè)的預期目的。

開放實驗； 波形發(fā)生器； 工程意識； 實踐能力

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

1 實驗選題的目的和意義

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

(2) 知識綜合融合。實驗內(nèi)容涉及到電路理論課程中運算放大器、網(wǎng)絡函數(shù)、動態(tài)電路的分析等大部分知識點,是電路理論知識、電路設(shè)計、測量技術(shù)及方法和儀器設(shè)備使用、獨立分析及解決問題等的綜合案例[6-7]。軟件知識主要涉及Multisim的基本使用方法,硬件知識涉及實物焊接及調(diào)試。通過一個完整的實際工程設(shè)計問題——方案設(shè)計、理論分析、仿真研究、焊接電路、最終整體調(diào)試的完整訓練,培養(yǎng)學生的工程意識和創(chuàng)新意識。

(3) 實驗方法多樣性。實驗要求學生根據(jù)技術(shù)需求設(shè)計電路、選擇元器件、軟件仿真、硬件焊接,通過測試與分析對項目做出技術(shù)評價。在實現(xiàn)方法上,首先通過Multisim仿真軟件驗證實驗方案、選取參數(shù)的可行性；其次進行實物焊接和測試,比較理論計算、軟件仿真結(jié)果與實際電路輸出結(jié)果,分析誤差原因。通過軟硬件結(jié)合,使學生深刻地認識到完成一個工程實踐項目所需要的完整過程。做硬件對大二學生來說是一次挑戰(zhàn),第一次獨立地選擇元器件，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，第一次獨立將分離的元件焊成電路，當電路調(diào)試成功時第一次享受到自制電路的成功喜悅。該實驗激發(fā)了學生的創(chuàng)造性思維,深受學生歡迎。

2 實驗內(nèi)容與要求

設(shè)計并制作一個波形發(fā)生器,實現(xiàn)正弦波、方波、三角波的輸出。為了適用不同水平能力的學生,進行分層次教學,根據(jù)學生興趣及能力的不同,完成不同要求的實驗內(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)計一個RC橋式振蕩電路,選取合適的參數(shù),實現(xiàn)正弦波的輸出,要求輸出信號頻率在1 kHz左右,信號幅度不小于5 V。

(2) 應用運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) 應用一階動態(tài)電路的知識,設(shè)計RC積分電路,并選擇合適的參數(shù)將方波信號變換為三角波信號。

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

(5) 采用Multisim仿真軟件驗證實驗方案及選取參數(shù)的可行性。

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

2.1.2 第2層次:實物搭接

在通用萬能板上焊接實物電路,并進行測試,比較理論計算、軟件仿真結(jié)果與實際電路輸出結(jié)果,分析誤差原因。

2.2提高內(nèi)容(第3層次)

(1) 學習LC正弦波振蕩電路工作原理,設(shè)計電路和參數(shù),完成軟件仿真和測試,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,如振蕩頻率、振蕩幅度、輸出功率、應用場合等；

(2) 學習用折線逼近法的工作原理,將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波,設(shè)計電路和參數(shù),實現(xiàn)軟件仿真,與濾波法進行比較。

3 實驗

圖1為整個實驗的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,可以看出,整個系統(tǒng)可以分成4個部分,要求學生逐級設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 實驗教學與指導

在實驗教學中,在以下方面加強對學生引導:

(1) 了解各種類型正弦波振蕩器的作用、工作原理和適應場合；重點掌握RC橋式振蕩電路,通過電路課程中所學的相關(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)計參數(shù)并給出相應理論依據(jù)、推導與驗算過程[8-10]。

(2) 設(shè)計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,為此在實際振蕩電路中通常要有一個穩(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、一階電路的時間常數(shù)計算積分電路中電阻和電容的參數(shù),注意觀測三角波幅值的變化。

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

(5) 在軟件仿真的時域分析中,滑動變阻器的選取很關(guān)鍵,選得稍大,負反饋過強,電路不起振或振幅小；選得稍小,負反饋過弱,出現(xiàn)非線性失真。時域分析的觀察時間應稍長,要觀察到電路的起振。

(6) 根據(jù)實驗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)的焊接和測試。注意焊接時不要短路和外接電源、接地的接口的焊接,并把要測試的信號用導線引到排針上方便測試。測試過程中,滑動變阻器的調(diào)節(jié)仍然很重要。觀測波形,分析波形失真或者誤差原因。

(7) 在完成必做內(nèi)容后進一步引導學生進行拓展性思考:①本實驗是按照正弦波—方波—三角波—正弦波的順序進行設(shè)計,可不可以換個順序？②自激振蕩產(chǎn)生正弦波,還有沒有別的方法？效果會比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放結(jié)合起來設(shè)計電路,會不會有更好的效果？④設(shè)計R、C具體參數(shù)時,是不是任意選參數(shù)值、只要滿足相應的推導關(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間軸上有什么關(guān)系？只有濾波這一種方法嗎？⑥給出的實驗方案產(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)頻率的波形應該怎么辦？

3.2 實驗結(jié)果與討論

3.2.1軟件仿真

設(shè)計好電路后,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是該實驗的整個參考電路圖。

圖2 實驗參考電路

在過零比較器電路中,由于是要考慮實際的集成運放構(gòu)成電壓比較器,可以考慮加限幅措施,避免運放內(nèi)部管子進入深度飽和區(qū),來提高響應速度。在積分電路和低通濾波器電路中,注意參數(shù)的選取。圖4是整個電路所需要的4種輸出波形,要求學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 實物焊接與調(diào)試

根據(jù)系統(tǒng)仿真電路圖,并結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件,列出元器件清單,在萬能板上完成系統(tǒng)的焊接和測試。注意焊接時不要短路和外接電源、接地點接口的焊接,并把要測試的信號用導線引導到排針上以方便測試。仔細調(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。觀測各個環(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措施。學生將設(shè)計的電路進行實物搭接后,并不能保證所有的實物電路能夠符合要求,因此可以設(shè)置課外2～4個學時對這些電路進行原因排查。

圖3 正弦振蕩電路輸出波形

圖4 整個電路4種輸出波形

4 結(jié)束語

該實驗具有一定的工程背景,將實際問題與教學實驗有機地結(jié)合起來,促使學生積極思考。分層次教學,根據(jù)學生興趣及能力的不同,完成不同要求的實驗內(nèi)容。采用軟件仿真與硬件設(shè)計相結(jié)合、實驗測試與理論分析相結(jié)合的方式,使學生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實驗過程中,切實提高實驗技能。實驗依托“中國礦業(yè)大學實驗室開放基金項目”開設(shè),面向我校電類相關(guān)專業(yè)進行開放,學生自由選擇,在課外時間完成，不影響正常的教學計劃,而且學校規(guī)定,學生完成該類實驗項目每16學時,且成績合格,可獲得1個創(chuàng)新學分。該實驗已經(jīng)開設(shè)了2個學期,共計40名學生選課,學生的實驗報告和反饋意見表明該實驗取得了良好的教學效果,提高了實驗室和儀器設(shè)備的利用率,調(diào)動了學生實際動手的積極性,達到了預期目的。

References)

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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

中國礦業(yè)大學教學名師培育工程項目(MSCC0003);中國礦業(yè)大學校級課程建設(shè)與教學改革項目(2014WK05);中國礦業(yè)大學實驗室開放基金項目

薛雪(1980一)，女，江蘇徐州，博士，副教授，碩士生導師，主要研究領(lǐng)域為電路與系統(tǒng)及智能控制等.

E-mail：cumtxx@126.com

TN710;G642.0

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1002-4956(2015)12- 0036- 04