晶体管收音机装、调实践教学研究

李建　王烁

摘 要：晶体管收音机的安装和调试是高校以培养学生综合能力为目的在电子工程类专业一年级学生开展的传统工程实践课程。本文以CDIO工程教育理念出发，结合传统教学经验，用最简单的收音机为切入点，进行系统原理、分析元器件分析、仿真验证、组装和调试，逐步引导学生完成整个晶体管收音机的装、调实践项目，让零基础学生的也能建立学习兴趣，让学生的理论和实践等到更紧密的结合。

关键词：晶体管 收音机 CDIO工程教育

晶体管的发明是人类历史上的重大事件，它作为当今社会信息化、网络化、自动化、智能化等高新技术的基础与先导，从根本上改变了人类社会的生活面貌[1]。晶体管收音机的组装和调试是高校以培养学生综合能力为目的在电子工程类专业一年级学生开展的传统工程实践课程。传统的教学方法是先讲解晶体管收音机的接收原理，再指导学生进行收音机组装与调试，以能收听到电台广播节目就算完成任务，这不是CDIO的工程教育培养模式。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement） 和运作（Operate）。CDIO工程教育理念就是要以项目实施的全过程为载体来培养学生的工程能力，包括学生的工程科学、技术知识，自身的终身学习能力、团队交流合作能力以及在社会和企业环境下的建造能力[2]。本文结合传统教学经验，以最简单的收音机为切入点，进行系统原理分析、元器件分析、仿真、组装和调试。逐步引入调谐电路、单晶体管音频放大电路、无源低通滤波电路、乙类功率放大电路、本地振荡电路、混频电路谐振放大电路和AGC电路。每引入一个电路就是对晶体管收音机的一次升级，并对引入的电路进行独立和整合后的原理分析、仿真、组装和调试。晶体管收音机的装、调实践项目就在六次课（24个学时）中完成。调查统计发现学生在完成晶体管收音机调试后，大部分学生都没有再用调试好的晶体管收音机收听节目，少数人一周内会有使用，之后就废弃了。通过晶体管收音机装、调实践项目让学生参与到了晶体管收音机安装调试运行改良至终结废弃的全过程，增强了学生的CDIO工程教育的理念，让学生理论和实践等到更紧密的结合。下面对晶体管收音机装、调实践的教学过程进行介绍。

一、最简单的收音机

最简单的收音机原理图如图1a所示，这个收音机制作起来就非常的简单，只需要漆包线、一个耳机和一个普通二极管就能听到电台广播的声音，关键还不需要供电。考虑到在实验室制作的原因，选用已有的晶体管收音机套件，则改变后的电路如图1b所示， 用磁性天线代替大树，天线线圈任选一组，二极管选用1N4148，3.5mm耳机插孔（方便使用手机的耳机收听）。

电子信息专业相关的项目中对模拟和数字电路进行功能仿真，最常用的是Multisim仿真软件。通过该软件绘制出最简单收音机的仿真图如图2所示，XFG1为Agilent的信号源，XSC1为Tektronix的四通道示波器，实验室为双通道示波器。选用这两个仪器最大的优点就是界面和实验室的仪器基本一样，先用虚拟仪器熟悉操作后，再到真实的仪器上操作。即降低了真实仪器的磨损，也提高了仪器的利用率。该仿真电路需要注意的就是变压器T1代替的是磁性天线及其线圈，在T1参数设置的时候选择非理想电感，初级线圈电感值约为600uH，Q值37（通过电桥测试仪在40kHz时测得，若不加磁性天线在线圈中，电感值约为53uH，Q值3.7），R1为耳机阻抗，也可以设置为32Ω，由于真实耳机功率一般不超过100mW，需先用电阻模拟耳机，待信号调至合适幅度后方能接上耳机试听。指导学生学用虚拟仪器产生调制波形，幅度不超过1V，经R2模拟传播衰减，C1耦合到天线T1上，再检波输出。在学生经过对系统原理和仿真了解后，让学生自行修改C1，R1，R2参数，取消或改变D1的方向，使得学生增进了对简单收音机原理的掌握，明确每个元件参数对系统的影响，理解二极管特性以及二极管在检波电路中的作用。最后通过真实的信号源产生调幅信号，用直插的电阻电容做信号的衰减和耦合至收音机。安装最简单的收音机，用耳机听出加信号和不加信号的差异，调试并记录真实示波器波形，对比仿真结果与实际的差异。体验了产品的使用效果后，構思改进方案，并在仿真软件上验证。在学生经历了电路设计、仿真、组装和调试的过程后，即经历了一个产品的研发过程。

二、引入调谐电路

通过对最简单的收音机进行系统原理分析、仿真验证、组装和调试，学生会发现电路虽然简单，但是存在诸多缺点，比如没有选择性，杂音多，音量小且不能调节，即使是加了无干扰的调幅信号后，听到的单频声音也不正常等等。这是第一批产品在用户使用后反馈回来的诸多问题，针对这些问题以及产品后续的发展，都应该逐一解决。先对没有电台选择这一关键问题进行改进，即加入调谐电路。这里调谐电路又分为单调谐电路和双调谐电路两种，根据LC谐振回路的特性，对比单、双调谐电路的特点。调谐电路的收音机原理如图3所示，可以发现二极管的接法变了，后端的电容又有什么作用，若改为双调谐电路又应该如何连接，带着这些问题让学生选择自己合适的电路进行改进工作。

加入调谐电路的音机仿真图如图4所示，该系统产生了三个不同频率（535 kHz，1000kHz，1465kHz）和幅度的调幅信号，以此来简单模拟现实中复杂信号的场景，充分体现出调谐电路的优点。由C2和线圈构成的LC谐振回路，根据线圈电感600uH，要分别把三个频率选择出来，C2分别的取值需要由学生计算得出。另外根据仿真电路，C2的变化，可以从示波器上明显看出三个信号的幅度变化，以此来体现调谐回路的优点。闭合开关S1，同时修改C3的值，观察R1上的波形变化。安装简单收音机时，由于C3在实际可调电容中无法找到，则用几个固定值的电容替换测试。这个试验的信号产生可以用一个信号源分别产生三个信号进行测试，或用三个信号源像仿真图上的接法进行连接。用耳机听出信号在可变电容改变电容值时信号的变化，调试并记录真实示波器波形，对比仿真结果与实际的差异。在引入调谐电路后，即对电路进行了升级，是一个产品的延续升级过程。

三、引入其他电路

在引入调谐电路后，学生对电阻、电容、电感和二极管有了很深的认识，能用仿真软件對其他简单电路进行初步验证，并根据电路进行安装和调试。接下来加入晶体管音频放大电路，也叫前置放大电路，含晶体管放大电路的收音机原理图如图5所示，该电路是掌握晶体管放大特性的最基础的电路。晶体管放大电路工作需要电源，输入输出需要用电容来隔断直流分量，通过仿真熟悉工作原理后，进行安装调试。在安装好该电路后，调试的过程中学生会发现耳机的声音变大了。

引入无源低通滤波电路给学生带来的听觉变化就很微小了，通过仿真可以非常方便的看到滤波器的特性，如图6所示RC滤波器与LC滤波器，对比两种滤波的特性，并引出高通、带通、以及高阶滤波器让学生课后思考。

从加入滤波器的收音机原理图中可以看出，滤波器加了两处，都为π型滤波器，如图7所示。电源输出后加滤波器的作用除了滤波，还有电阻的限流作用，所以在电路越复杂，工作电流越大的时候，此电阻值的选取尤为重要。在此处加入了音量控制的电位器，让学生觉得这个功能的实用性非常大。

引入乙类功率放大电路是对晶体管使用的一个提升，该电路设计的元器件很多，所以把未调试的部分隐藏，直接采用完整电路进行讲解。电路的参数，序号可以直接使用，让安装后的电路板初具规模。本地振荡电路与混频电路的引入让调试的难度加大了不少，本来之前还能听到比较清楚的电台，现在声音质量更差了，这样让学生对超外差式收音机有了感性和理性的认识。带着这些疑问，再引入谐振放大电路与AGC电路后，完整的晶体管收音机原理图就展现出来了，如图8所示。这是学校已经明白如何去分析解决问题，并能进行系统电路联调，让晶体管收音机的整机性能达到了最好的效果。

在整个课程中，以两人一组，合理分工，原理分析、仿真、安装和调试各有侧重，互相解答学习。要求在验收时才能把喇叭接入，这样即让整个课程中不再嘈杂，也让学生有个相对安静的调试环节，有问题的同学更能得到及时有效的解答。

结语

本文介绍的晶体管收音机装、调实践教学，适合电子工程类专业一年级的学生，让零基础学生的也能建立学习兴趣，是以最简单的收音机为切入点，进行系统原理分析、元器件分析、仿真、组装和调试。逐步引入调谐电路、单晶体管音频放大电路、无源低通滤波电路、乙类功率放大电路、本地振荡电路、混频电路谐振放大电路和AGC电路。由简到繁，让学生学会独立思考、协作、分析和解决问题的能力，符合CDIO的工程教育培养模式，让学生的理论和实践等到更紧密的结合。

参考文献

[1]卢森锴.晶体管发明60年[J].大学物理，2008年2月第27 卷第2 期

[2] 段慧达、刘德君. 基于CDIO 工程教育理念的人才培养[J]. 才智，2011年32期

第一作者：李建 1983年6月，男， 汉族，籍贯： 四川内江，职称：讲师，学历：硕士，工作单位：成都信息工程大学

第二作者：王烁 1982年9月，男， 汉族，籍贯： 青海共和县，职称：讲师，学历：硕士，工作单位：成都信息工程大学