趣味性物理教学实验设计

杨心妍

摘 要 本文设计了一种关于电磁波幅度调制与解调的物理教学实验装置，采用正弦波振荡器产生调制信号，利用多组开关和可调电阻形成阵列，模拟电子琴产生音乐声，解调部分经过检波放大并驱动扬声器发声。利用该装置配合低成本的信号源和天线，在物理课程的电磁学实验教学中使用，有利于学生学习电磁波调制和解调的工作原理，理解信号变换的全部过程，使实验具有良好的趣味性。

关键词 调制与解调 物理教学 实验装置 电子琴 趣味性

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.01.064

Interesting Physics Teaching Experiment Design

YANG Xinyan

（Chengdu No.7 Bayi School， Chengdu， Sichuan 610036）

Abstract This paper describes the design of a physics teaching experiment on electromagnetic wave amplitude modulation and demodulation device， using sine wave oscillator to generate a modulated signal， using a plurality of switch and adjustable resistor array， analog electronic piano music produced by the detection and amplification， demodulation drive loudspeaker sound. Using this device and low cost signal source and antenna in the electromagnetism experiment teaching of physics course， it is helpful for students to learn the working principle of electromagnetic wave modulation and demodulation， understand the whole process of signal transformation， and make the experiment interesting.

Keywords modulation and demodulation； physics teaching； experimental device； electronic organ； interesting

在物理學课程教学内容中，一些教学知识点理论比较抽象，教师若在结合教学实际基础上，充分理解学生好奇心和求知欲，适当开展趣味性实验，能激发学生的探究式学习热情，获得意想不到的教学效果。[1]电磁波调制与解调是物理学重要知识点之一，开展实验需要用到示波器和信号发生器等贵重仪器，很多学校受经济条件所限，只能以低成本方案开设实验，而放弃了知识的完整性。[2-3]利用虚拟仪器也是节约实验成本的方法之一，[4-5]另一类方法是开设演示实验，[6-7]但这些方法使学生失去了动手体验的机会。本实验装置可以实现电磁波幅度调制和解调，既解决了实验开设的成本问题，又使学生在实验中体验到音乐信息传递的完整过程，保证了物理实验的知识性和趣味性。

1 音频信号的产生与发射

电磁波作为载波发射，是为了搭载和传递信息，将声音或图像信息调制在高频等幅电磁波上发射出去，常用的调制方法有调频和调幅。这里主要介绍音频信号通过载波调幅发射的实现方法。

1.1 音频信号发生器

幅度调制部分的音频正弦波产生电路如图1，其主体部分是由电阻、电容元件构成选频网络的正反馈放大器，也称为RC振荡器，用来产生30Hz-3000Hz的音频信号。可调电位器Wn串联开关Kn形成多个调节支路，通过设置和调节每个支路的Wn值，改变各通路开关Kn闭合时的振荡频率，可产生一组共n个音频振荡频率输出，提供给幅度调制电路作为调制信号。

1.2 幅度调制器

调幅发射部分的实验框图如图2所示，使用易于购买的低成本射频信号源产生载波，[8]信号源的发射功率可达10mW，频率设置为1GHz左右，发射天线选用符合频率要求的普通天线。在信号源与发射天线之间插入信号调制器，获得受音频调制的载波幅度调制信号，并通过天线变成电磁波发射出去。信号调制器是实验装置的核心部分，利用音频信号发生器振荡，产生范围在30～3000Hz可调的音频调制信号，控制PIN二极管的正向电阻，形成幅度调制作用。普通二极管是由N型和P型杂质掺杂的半导体材料直接构成PN结，而PIN二极管是在N型和P型半导体材料之间加了一层薄的低掺杂本征半导体层。

PIN二极管有多种不同偏置方式，分别呈现不同工作状态。在正向偏置方式时，即PIN二极管加正向电压时，P区和N区的多数载流子会注入到I区并复合。电流I达到平衡状态时注入载流子和复合载流子相等，本征半导体层因积累大量载流子而电阻下降，即PIN管正向偏置时呈低阻状态。正向偏置电压越高，注入I层的电流越大，载流子越多，其电阻越小，等效为一个0.1～10 之间小电阻。由于PIN管偏置电压大小与电阻具有相关性，可以作为射频开关和衰减器使用。作为射频开关使用时，当二极管正偏则射频接通，当二极管零偏或反偏则射频断开。作为串联射频衰减器使用时，二极管正向偏置电压的不同大小，对应为不同射频衰减量。因此，将音频信号引入作为正偏电压，可以实现电磁波幅度调制。图2中音频输入端通过电阻R和电感L实现正向偏置，伴随音频信号的幅度值变化，PIN管阻值会发生相应变化，信号源产生的载波幅度也发生改变，产生音频调制后的载波。

2 音频信号的接收与解调

搭载有音频信号的电磁波载波，可以实现远距离信息传播。到达用户端后，通过天线接收射频电磁波，并通过解调电路还原出音频信号。

2.1 接收与检波电路

在电磁波接收部分，接收天线将电磁波变为高频电流，进入检波二极管接收电路。检波接收电路如图3所示，为提高检波效率并获得尽量多的有用信号，应选择与载波频率适合的检波二极管。搭载信息的高频载波信号经天线接收后，输入检波二极管D，因为二极管的单向导通特性，正向信号得以通过，反向信号被二极管阻隔。通过二极管的信号，再经过容量较大的电解电容C的旁路作用，滤除正向信号中的剩余载波，输出只包含音频信息成分的信号。

2.2 音频放大电路

检波二极管输出的音频信号幅度微弱，不足以推动扬声器发声，甚至不能使功耗较小的耳机发声。为实验方便，采用了音频放大电路提升音频功率，直接驱动扬声器。放大电路如图4所示，使用音频集成功放电路LM386作为放大器，电位器W用以调节从检波二极管输出进入放大器的音頻信号大小，从而达到控制扬声器音量的目的。调制信号的频率处于人耳听觉频率范围，声音尖锐或低沉直接反映调制信号的频率，声音的大小还可以反映调制信号的幅度等参数。当然，也可以用示波器监测音频信号，能准确测量出更多调制参数。

3 趣味性实验设计

本实验要求学生预先设置音频信号发生器各个开关支路的音调频率，通过连续按动琴键开关变换音调，模拟电子琴演奏出简短音乐声。如表1所示，为以国际标准音A-la-440Hz为准的七个音的频率。

实验教师利用图1正弦波振荡器的开放接口，将电位器的调整功能引出。学生用面包板制作电子琴，每个标准音对应一组可调电位器Wn和琴键开关Kn，形成至少七个标准音，其中琴键开关用回形针或铍青铜片制作，每一路开关串联一个电位器，调节各支路电位器的阻值，用图4的音频检测电路接收音乐声，使喇叭中产生表1的频率（可以配备价格低廉的乐器调音器以测量频率）。然后，通过电子琴演奏出规定的简单乐曲声音，如要求演奏：123112313453455654315654312。

4 结束语

将电子琴电路产生的音乐声调制到高频载波上，再通过电磁波发射和接收解调，还原出音乐声。按此实验方法开展电磁波调制解调实验，实验装置对幅度调制和解调的原理表达非常清晰，用声音表达的实验现象特别明显，通过电磁波收发并成功传递乐曲声的过程富有趣味性，对学生学习和认知物理学知识十分有效。同时，利用成本低廉的器材制作音频调制器和检波放大装置，可以代替昂贵的信号发生器、示波器等仪器，降低了物理实验开设的门槛，有利于实验教学的推广和普及。

参考文献

[1] 王佩祥，喻秋山，黄志洋，等.偏振光实验系统的趣味性改进[J].物理实验，2016.36（2）：37-41.

[2] 李建英.物理低成本实验的教学实践探讨[J].忻州师范学院学报，2012.28（2）：96-98.

[3] 谢桂英.自制低成本教具，提高初中物理演示实验教学的有效性[J].物理实验，2014.34（4）：11-14.

[4] 王学严，张茹，张虎，等.大学物理虚拟实验一体化设计与实例[J].实验技术与管理，2016.32（9）：124-127.

[5] 张秀敏.仿真实验室在初中物理虚拟实验中的应用[J].中国教育技术装备，2015.22（11）：158-159.

[6] 李海宝.基于共享网络空间的物理演示实验教学平台[J].实验室研究与探索，2015.34（5）：177-181.

[7] 祁国良，曲胜艳，谭晓春，等.物理演示实验改进之管见[J].物理实验，2015.35（7）：19-22.

[8] 薛军，潘高峰，谢勇.基于ADF4350的多频段信号源的设计与实现[J].无线电工程，2011.41（11）：53-55.