波形发生器开放实验实践

薛 雪, 刘晓文, 陈桂真, 梁 睿

(中国矿业大学 信电学院, 江苏 徐州 221116)

实验技术与方法

波形发生器开放实验实践

薛 雪, 刘晓文, 陈桂真, 梁 睿

(中国矿业大学 信电学院, 江苏 徐州 221116)

介绍了开放实验“波形发生器”选题的目的和意义,以及具体的实验内容和要求。阐述了实验过程中对学生的引导,给出了实验参考电路,分析和讨论了实验结果。实践证明,该开放实验取得了良好的教学效果,提高了实验室和仪器设备的利用率,培养了学生的工程意识和面对复杂实际问题的主动探索精神,达到了实验开设的预期目的。

开放实验； 波形发生器； 工程意识； 实践能力

电路实验是工科电类专业一门重要的技术基础实验课程,对培养学生分析问题、解决问题的能力,对提高学生素质、培养高素质创新型人才有着极其重要的作用[1]。借鉴国内各高校开放实验教学的实践经验,在传统的实验内容以及学生所掌握的电路理论知识基础上,对电路实验室进行开放,设计了“波形产生器”开放实验,将经典实验与学科前沿实验结合、基本实验方法与现代化实验方法结合、实验内容与激发学生兴趣及密切联系实际相结合等方面进行探索,目的在于通过电路实验教学改革,充分发挥实验室在人才培养中的作用,不断提升学生创新精神和实践能力[2-5]。

1 实验选题的目的和意义

(1) 工程应用背景。波形发生器作为一种常见的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时,都需要有信号源,它可以产生多种波形信号,如正弦波、三角波、方波等,因而广泛应用于通信、雷达、导航、宇航等领域。通过介绍,引起学生的好奇和兴趣。

(2) 知识综合融合。实验内容涉及到电路理论课程中运算放大器、网络函数、动态电路的分析等大部分知识点,是电路理论知识、电路设计、测量技术及方法和仪器设备使用、独立分析及解决问题等的综合案例[6-7]。软件知识主要涉及Multisim的基本使用方法,硬件知识涉及实物焊接及调试。通过一个完整的实际工程设计问题——方案设计、理论分析、仿真研究、焊接电路、最终整体调试的完整训练,培养学生的工程意识和创新意识。

(3) 实验方法多样性。实验要求学生根据技术需求设计电路、选择元器件、软件仿真、硬件焊接,通过测试与分析对项目做出技术评价。在实现方法上,首先通过Multisim仿真软件验证实验方案、选取参数的可行性；其次进行实物焊接和测试,比较理论计算、软件仿真结果与实际电路输出结果,分析误差原因。通过软硬件结合,使学生深刻地认识到完成一个工程实践项目所需要的完整过程。做硬件对大二学生来说是一次挑战,第一次独立地选择元器件，第一次接触到电容的耐压值、电阻的功率、变压器的容量等元件的术语，第一次独立将分离的元件焊成电路，当电路调试成功时第一次享受到自制电路的成功喜悦。该实验激发了学生的创造性思维,深受学生欢迎。

2 实验内容与要求

设计并制作一个波形发生器,实现正弦波、方波、三角波的输出。为了适用不同水平能力的学生,进行分层次教学,根据学生兴趣及能力的不同,完成不同要求的实验内容,做到因材施教。

2.1 基本内容

2.1.1 第1层次:仿真及分析

(1) 设计一个RC桥式振荡电路,选取合适的参数,实现正弦波的输出,要求输出信号频率在1 kHz左右,信号幅度不小于5 V。

(2) 应用运算放大器的饱和电压外特性,将正弦波转换为同频率的方波。

(3) 应用一阶动态电路的知识,设计RC积分电路,并选择合适的参数将方波信号变换为三角波信号。

(4) 设计滤波电路,选择合适的参数,滤掉高次谐波,将三角波信号还原到正弦波。

(5) 采用Multisim仿真软件验证实验方案及选取参数的可行性。

(6) 将滤波输出的正弦波与振荡产生的正弦波进行比较,观察幅值、频率的变化,分析原因。

2.1.2 第2层次:实物搭接

在通用万能板上焊接实物电路,并进行测试,比较理论计算、软件仿真结果与实际电路输出结果,分析误差原因。

2.2提高内容(第3层次)

(1) 学习LC正弦波振荡电路工作原理,设计电路和参数,完成软件仿真和测试,根据结果比较分析RC振荡电路与正弦波振荡电路的优缺点,如振荡频率、振荡幅度、输出功率、应用场合等；

(2) 学习用折线逼近法的工作原理,将三角波转换成正弦波,设计电路和参数,实现软件仿真,与滤波法进行比较。

3 实验

图1为整个实验的系统结构图,可以看出,整个系统可以分成4个部分,要求学生逐级设计。

图1 系统结构图

3.1 实验教学与指导

在实验教学中,在以下方面加强对学生引导:

(1) 了解各种类型正弦波振荡器的作用、工作原理和适应场合；重点掌握RC桥式振荡电路,通过电路课程中所学的相关理论分析该电路的工作原理、起振条件和稳幅方法,设计参数并给出相应理论依据、推导与验算过程[8-10]。

(2) 设计RC桥式振荡电路的稳幅环节。放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分,但是由这两部分构成的振荡器一般得不到正弦波,这是由于很难控制正反馈的量:如果正反馈量大,则增幅,输出幅度越来越大,最后由放大电路的非线性限幅必然产生非线性失真；反之,如果正反馈量不足,则减幅,可能停振,为此在实际振荡电路中通常要有一个稳幅电路。

(3) 在方波转换为三角波的电路中,根据方波频率、一阶电路的时间常数计算积分电路中电阻和电容的参数,注意观测三角波幅值的变化。

(4) 在三角波转换为正弦波时,所用到的低通滤波器,要根据截止频率设计所需电阻、电容参数,注意观测正弦波幅值的变化。

(5) 在软件仿真的时域分析中,滑动变阻器的选取很关键,选得稍大,负反馈过强,电路不起振或振幅小；选得稍小,负反馈过弱,出现非线性失真。时域分析的观察时间应稍长,要观察到电路的起振。

(6) 根据实验室所能提供的条件列出元器件清单,在万能板上完成系统的焊接和测试。注意焊接时不要短路和外接电源、接地的接口的焊接,并把要测试的信号用导线引到排针上方便测试。测试过程中,滑动变阻器的调节仍然很重要。观测波形,分析波形失真或者误差原因。

(7) 在完成必做内容后进一步引导学生进行拓展性思考:①本实验是按照正弦波—方波—三角波—正弦波的顺序进行设计,可不可以换个顺序？②自激振荡产生正弦波,还有没有别的方法？效果会比RC桥式电路好吗？③把积分电路和低通滤波器这两部分与集成运放结合起来设计电路,会不会有更好的效果？④设计R、C具体参数时,是不是任意选参数值、只要满足相应的推导关系就行呢？⑤三角波转换成正弦波,滤波以后,输入和输出的波形在时间轴上有什么关系？只有滤波这一种方法吗？⑥给出的实验方案产生的波形的频率有没有变化？如果想产生可以调节频率的波形应该怎么办？

3.2 实验结果与讨论

3.2.1软件仿真

设计好电路后,采用MultiSim软件完成仿真[11-13],记录每一部分产生的波形。图2是该实验的整个参考电路图。

图2 实验参考电路

在过零比较器电路中,由于是要考虑实际的集成运放构成电压比较器,可以考虑加限幅措施,避免运放内部管子进入深度饱和区,来提高响应速度。在积分电路和低通滤波器电路中,注意参数的选取。图4是整个电路所需要的4种输出波形,要求学生比较滤波电路输出的正弦波与RC振荡器产生的正弦波的幅值、频率、相位,注意灵敏度的选取,分析幅值、相位变化的原因。

3.2.2 实物焊接与调试

根据系统仿真电路图,并结合实验室现有条件,列出元器件清单,在万能板上完成系统的焊接和测试。注意焊接时不要短路和外接电源、接地点接口的焊接,并把要测试的信号用导线引导到排针上以方便测试。仔细调节RC桥式电路中的参数,确保电路能产生自激振荡。观测各个环节的输出波形,如果波形失真,分析波形失真的原因并且提出改进措施。学生将设计的电路进行实物搭接后,并不能保证所有的实物电路能够符合要求,因此可以设置课外2～4个学时对这些电路进行原因排查。

图3 正弦振荡电路输出波形

图4 整个电路4种输出波形

4 结束语

该实验具有一定的工程背景,将实际问题与教学实验有机地结合起来,促使学生积极思考。分层次教学,根据学生兴趣及能力的不同,完成不同要求的实验内容。采用软件仿真与硬件设计相结合、实验测试与理论分析相结合的方式,使学生在发现问题、解决问题的实验过程中,切实提高实验技能。实验依托“中国矿业大学实验室开放基金项目”开设,面向我校电类相关专业进行开放,学生自由选择,在课外时间完成，不影响正常的教学计划,而且学校规定,学生完成该类实验项目每16学时,且成绩合格,可获得1个创新学分。该实验已经开设了2个学期,共计40名学生选课,学生的实验报告和反馈意见表明该实验取得了良好的教学效果,提高了实验室和仪器设备的利用率,调动了学生实际动手的积极性,达到了预期目的。

References)

[1] 孙盾,姚缨英.开设自主实验的实践与思考[J].实验技术与管理,2009,26(5):21-23.

[2] 余志华,王永涛,赵娟，等.建设开放实验教学体系建设的探索与实践[J].实验技术与管理,2011,28(11):141-143.

[3] 贺富堂.电路开放实验课的实践与探讨[J].高校实验室工作研究,2010,106(4):36-37.

[4] 王士强,郭亚飞,邓天龙.开放实验对培养学生综合素质的研究[J].广州化工,2012,40(22):161-162.

[5] 丁爱侠.高校开放实验项目实施及现状调查与分析[J].实验技术与管理,2012,29(2):156-158.

[6] 邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,2006.

[7] 李瀚荪.电路分析基础[M].北京:高等教育出版社,2010.

[8] 胡伟,李勇帆.基于Multisim 的RC文氏电桥振荡电路虚拟仿真实验[J].实验室研究与探索,2011,30(5):13-15.

[9] 袁桂玲.基于EWB 文氏电桥振荡电路的仿真[J].现代电子技术,2011,34(10):155-156.

[10] 邹学玉.RC 文氏桥振荡器稳幅环节的仿真研究[J].长江大学学报：自然科学版,2011,8(8):91-93.

[11] 张志立. 基于Multisim技术的电路实验[J]. 实验科学与技术,2010,8(1):15-18.

[12] 黄培根,任清褒. Multisim 10计算机虚拟仿真实验室[M].北京:电子工业出版社,2008.

[13] 蒋力立.Multisim 10.0引入实验教学探讨[G].电工电子课程报告论坛论文集.北京:高等教育出版社,2010.

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

中国矿业大学教学名师培育工程项目(MSCC0003);中国矿业大学校级课程建设与教学改革项目(2014WK05);中国矿业大学实验室开放基金项目

薛雪(1980一)，女，江苏徐州，博士，副教授，硕士生导师，主要研究领域为电路与系统及智能控制等.

E-mail：cumtxx@126.com

TN710;G642.0

B

1002-4956(2015)12- 0036- 04