高頻電路綜合創(chuàng)新實驗平臺研究

梁麗芳，滕君華，齊國清

（大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，遼寧 大連 116026）

新工科建設對培養(yǎng)具有工程實踐能力的創(chuàng)新型人才提出了很高的要求，迫切需要高等教育進行變革和創(chuàng)新，加強對工程人才的培養(yǎng)[1-2]。高頻電子線路作為電子信息類專業(yè)一門理論性、工程性和實踐性很強的課程[3-4]，實驗教學的改革勢在必行。國內一些高校高頻電路實驗教學采用實驗板或實驗箱開展驗證性實驗[5]，由于缺乏設計性和探索性實驗，部分高校將虛擬仿真軟件引入高頻電路實驗教學中，雖然克服了一些硬件實驗的局限性[6-7]，但是工程性和實踐性略顯不足。極個別廠家開發(fā)了以驗證性為主、設計性為輔的高頻實驗系統(tǒng)，但實用性差強人意。不論是研制還是購買新的設計型實驗平臺都需要報廢舊的實驗平臺，會產生大量的垃圾，并存在嚴重的資源浪費[8]。因此，如何能在有效利用舊資源的前提下，進行低成本改造，實現(xiàn)具有綜合性和設計性的高頻電路實驗，就有了研究和探索的必要。本文針對積木式高頻電路實驗箱進行改造，建立高頻電路綜合創(chuàng)新實驗平臺，為學生自主創(chuàng)新和主動探索提供了可行方案。

1 綜合創(chuàng)新平臺建設方案

1.1 建設思路

隨著實驗教學的發(fā)展，實驗項目逐步趨近工程實際項目[9-10]。傳統(tǒng)高頻電路實驗箱普遍由若干個模塊構成調頻或調幅收發(fā)信機等綜合系統(tǒng)[11]，本身就是一個完整的工程實際應用場景，工程難點主要體現(xiàn)在系統(tǒng)設計、單元電路的級聯(lián)方法、級間匹配和降低級間干擾等方面，然而這些難點都由設備產商解決了，學生體會不到高頻電路的精髓部分。

因此，本文提出充分利用實驗箱的工程應用場景，為其設計一款低成本、具有同等特征的擴展模塊，將其轉化為設計型實驗平臺，通過利用實驗箱的模塊化特征來簡化設計過程，降低學生綜合設計與創(chuàng)新的難度。學生在擴展模塊上自行設計的電路模塊可以替換實驗箱上的一個或幾個模塊，與其他既有模塊一起組成通信系統(tǒng)。將現(xiàn)有實驗箱各個模塊的技術指標轉化為學生設計模塊的設計指標，所設計模塊與其他現(xiàn)有模塊級聯(lián)，可以檢驗其是否滿足系統(tǒng)要求，這樣實驗箱成為檢驗平臺，各功能電路可以模塊化獨立開發(fā)、單獨檢驗。一個學生設計多個模塊或多個學生各設計一個模塊最后級聯(lián)成系統(tǒng)，聯(lián)合調試，解決系統(tǒng)級問題，有助于提高學生電路設計與實現(xiàn)以及解決工程實際問題的能力。

1.2 通用擴展模塊設計

如圖1 所示，擴展模塊與既有模塊大小一致，左右兩側采用排母將實驗箱的電源和地接入，并保持同樣的積木式插拔方式；提供外部電源的輸入插孔使其不依賴于實驗箱也可以獨立使用；在電源接入處設計濾波電路以提高電路穩(wěn)定性。

因學生焊接質量對實驗效果和效率的影響比較大，為降低焊接復雜度和盡量減少導線數(shù)量和長度，減小高頻電路受分布參數(shù)的影響，因此電路設計區(qū)設計為“橫向絕緣縱向導通”的5 行N列的三段式過孔矩陣。每行/每列過孔與過孔間隔設置為國際標準的2.54 mm，過孔孔徑設置為0.762 mm，適合大部分直插元器件使用。為適用于芯片等特殊直插元器件，將第2 段與第3 段過孔矩陣之間間隔設計為缺省2 行過孔?？紤]到電路元器件需要頻繁地與電源和地相連，在電路設計區(qū)上方和下方分別提供常用電源、地和非常用電源、地的過孔行，方便連接。

為方便與其他模塊級聯(lián)和測試，在底部兩側規(guī)劃出信號輸入區(qū)和信號輸出區(qū)，分別包括過孔、插孔和測試端子。考慮到易用性，電路板絲印層標注電源和輸入輸出等提示字母。為使學生設計的電路結構清晰美觀，采用雙面鋪銅工藝，將元器件布局在正面，導線、引腳等焊接在背面。

圖1 通用擴展模塊PCB

2 建設方案可行性驗證

以下選擇調幅發(fā)信機的設計為例進行介紹。圖2為調幅發(fā)信機結構框圖。

圖2 調幅發(fā)信機結構框圖

2.1 實例仿真設計

調幅發(fā)射機由高頻振蕩、調制器、功率放大器和調制信號組成[12]。按照實驗箱指標設計，載波頻率fc為10.7 MHz。設計的調幅發(fā)信機仿真電路見圖3。高頻振蕩部分采用改進型電容反饋振蕩器，調制部分采用集電極調幅電路。由于集電極調幅電路在完成調制的同時也完成了功率放大的作用，因此在設計電路時省去了高頻功率放大器[12]。在高頻振蕩電路與集電極調幅電路之間加入了射級跟隨器，以隔離前后級之間的干擾。各部分的仿真輸出波形見圖4 和圖5。

圖4 調幅發(fā)信機振蕩部分輸出波形

圖5 調幅發(fā)信機調制部分輸出波形

由圖 4 可計算出振蕩波形的周期T=T2-T1=93.567 ns，振蕩頻率≈ 10.7 MHz，振蕩波形穩(wěn)定。

由圖5 可看出已調信號的包絡反映了調制信號的變化。

2.2 實例實物測試

利用擴展模塊分別對高頻振蕩模塊、集電極調幅模塊進行實物焊接。元器件布局時，導線遵循最短和直線原則，電源和地的接入遵循最近原則，通過減少導線的使用提高電路的穩(wěn)定性。擴展模塊上焊接的模塊正面和背面分別見圖6 和圖7，可以看出電路布局清晰、焊接簡單。兩模塊單獨測試通過后，分別與既有模塊級聯(lián)成系統(tǒng)進行調試。所設計的兩模塊一起替換既有模塊級聯(lián)后的調幅發(fā)信機實際測試環(huán)境見圖8。

圖6 集電極調幅電路實物正面

圖7 集電極調幅電路實物背面

圖8 中，調制信號由既有模塊1（低頻信號源）提供，自行設計的模塊2（高頻振蕩電路）為自行設計的模塊3（集電極調幅電路）提供未調載波。示波器同時觀察調制信號和已調信號。從圖8 中示波器屏幕上的波形可以看出，已調信號（上）的包絡很好地反映了調制信號（下）的變化，已調信號波形穩(wěn)定，與仿真結果一致。

3 在實驗教學中的應用

教師根據實驗箱給出幾個綜合系統(tǒng)的設計性題目供學生選擇，比如調頻發(fā)信機和收信機、調幅發(fā)信機和收信機。教師給出各項設計指標，學生可以做一個或幾個系統(tǒng)實驗。實驗過程靈活自由，既可開展不同學時數(shù)的高頻實驗實踐課，也可支持分層次培養(yǎng)。

學生2～3 人一組，選定題目后，根據通信系統(tǒng)模塊化結構框圖的特征，采用項目式模塊化教學模式，每次實驗利用擴展模塊設計一個模塊，學生可以分階段設計完成所需各模塊，教師分階段驗收，最后在實驗箱平臺上級聯(lián)成系統(tǒng)進行調試。通過這種模式，學生可以經歷從需求分析、系統(tǒng)設計、各模塊設計、仿真驗證、實物制作、各模塊測試到系統(tǒng)聯(lián)調一個完整的高頻硬件系統(tǒng)開發(fā)的工程化訓練過程。

實驗室采用開放式管理。將課內課外相結合，課外學生按照設計指標完成電路設計和仿真，課內完成元器件布局、實物焊接、測試和系統(tǒng)連調等。因擴展模塊便于攜帶，在學校允許的條件下，元器件布局和實物焊接也可以在課外完成，在實驗室只需進行模塊測試和級聯(lián)測試，實驗過程不再受時間和空間的限制。

另外，可采用學生設計的性能完善的模塊替換實驗箱損壞的模塊，反復迭代，自我完善，以大大降低實驗平臺的維護工作量。在本專業(yè)其他課程設計時,教師還可提供一些與該實驗平臺關聯(lián)的課題供學生選擇，比如射頻天線課程設計中增加為收發(fā)系統(tǒng)設計滿足一定指標要求的收發(fā)天線和射頻前端處理等題目。擴展模塊設計以及設計時留出相連的接口，為多門課程的融合提供了可能。教師還可以將學生設計的擴展功能中的優(yōu)秀作品用來豐富創(chuàng)新平臺，并鼓勵學生借助擴展模塊在實驗箱框架內搭建新的通信系統(tǒng)。

4 結語

本文緊跟實驗教學發(fā)展趨勢，通過對傳統(tǒng)的實驗箱進行低成本改造，建立了可以工程化訓練的高頻電路綜合創(chuàng)新實驗平臺，使學生由被動學習變?yōu)橹鲃犹骄俊⒐こ添椖块_發(fā)模式貫穿實驗教學過程，開放式的教學管理模式可以緩解實驗室場地緊張和排課困難的問題。實驗平臺可由學生自我完善、自我發(fā)展，教師有了更多精力用于指導和提高自身能力，進而更好地服務學生。這種合作、開放、探索、創(chuàng)新的實驗教學模式，有利于培養(yǎng)滿足行業(yè)發(fā)展和市場需求的具備工程實踐能力的創(chuàng)新型人才。