高频电子线路实验教学系统

杨光义， 金伟正， 王晓艳， 陈小桥

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430072)

0 引言

“高频电子线路”课程(又称“通信电子线路”，或称“非线性电子线路”)是通信工程和电子信息工程等专业的一门重要的专业基础课，它主要涉及高频电子线路的工作原理、单元电路以及分析方法。作为“高频电子线路”课程教学的一个重要组成部分，实践环节对于学生理解课本知识、增进学习兴趣、掌握知识要点、培养学生的动手能力起到了不可替代的作用。因此，很多高校在开设“高频电子线路”课程的同时开设了与之配套的实验课程[1～2]。

为了在节约实验开支的同时，能更好地帮助学生掌握高频电子线路常用测试仪器的使用方法、基本测试技术和设计手段，激发学生对实验的兴趣，提高教学质量，我们使用了高频电子线路实验系统，这也是国内大部分高校广泛采用的实验平台。但大多数高频电子线路实验系统采用“底板+功能板”架构，这种形式的实验系统存在诸多不足之处：容易损坏、实验效率无法提升、不利于提高学生学习兴趣等[3～4]。

针对以上不足，本文介绍了我校通信工程实验室自主研发制作的高频电子线路实验系统。系统采用整体式架构，功能齐全、布局合理、易于操作。

1 背景

目前市面上流行的高频电子线路实验系统大多采用“底板+功能板”架构，外带示波器、万用表、信号发生器以及一些辅助工具。底板主要完成两个功能：一是作为直流稳压电源，将市电220 V/50 Hz转化为功能板可接受的直流电压+15 V/+12 V/+8 V/+5 V；二是作为低频信号发生器，产生10 KHz以下，幅度频率可调的正弦信号。功能板采用模块化结构，将实现不同功能的电路分别制成不同的印制电路板。在实验过程中，选取所需的功能板，将其通过与底板上设计的接插件连接，实现底板对功能板的供电和共地并进行实验。

这种“底板+功能板”架构虽然能够满足日常实验的要求，但也存在着诸多不足。其中最突出的问题体现在两个方面：

(1) “底板+功能板”架构的先天结构性缺陷：如果将高频小信号调谐放大器和LC正弦波振荡器由一块功能板(简称G1)完成，模拟乘法器构成的振幅调制器和调幅波信号的解调由另外一块功能板(简称G2)完成，在实验高峰期，如果同一天下午(14:00-17:30)进行G1实验，晚上(18:00-21:30)进行G2实验，要在有限的时间内大量更换功能板，往往会给实验教师造成繁重的劳动量。

(2) 损耗严重：频繁的插拔导致接插件容易损坏，故障率居高不下，给实验设备的维护带来很大的维护成本和困难，严重影响实验效果和实验进度[5-7]。器件的损坏带来的另外一个问题就是，有些器件无法及时得到补充，导致整个实验系统无法正常工作，这在很大程度上会影响学生实验的积极性。

2 实验系统简介

针对目前高频电子线路实验系统存在的问题，结合“高频电子线路”课程教学大纲和课程重点，在参考国内外主流高频电子线路实验系统的基础上，我们设计制作了一套高频电子线路实验系统(简称实验系统)。

2.1 实验系统的特点

所设计的实验系统主要有以下诸多方面的特点。

(1) 实验系统采用整体式架构设计思想，彻底克服了“底板+功能板”架构的缺陷。这种设计的好处主要有以下几个方面：首先，可以减轻实验教师更换实验板的负担，确保实验及时顺利地进行；其次，方便学生实验，学生可以直接使用实验系统进行实验，满足不同进度的课程对于实验系统的要求；再次，设备维护得到及时保障，实验系统的维修变得简单易行，不再会有插件损坏的情况，若实验系统出现故障，通常情况下只需更换元器件即可，实验室可以配备相应的元器件供实验系统更换，降低由于器件损坏而影响实验进度的情况发生。

(2) 实验系统的电源直接使用市电，安全可靠，易于使用。实验系统设计了电压转换电路，将市电转化为功能板所需的直流电压。在使用过程中，只需插上市电，实验系统就可以正常工作。这给学生进行实验带来了极大的方便，使学生可以将更多的注意力集中在对实验电路的理解、整个实验过程的操作以及对实验结果的分析上。

(3) 设计了过压过流保护功能。此项功能既确保了实验者的安全，也使得电路不易被损坏，延长了实验系统的使用寿命。

(4) 电路元件主要采用贴片封装，大部分放置在电路板的背面，采用贴片式封装克服了双列直插芯片的不足。双列直插的芯片在使用时，一般放置在电路板的正面，在日常使用过程中，难免会因为灰尘或触碰而造成损坏，采用贴片封装的元件延长了整个系统的使用期限，也使得学生更加直观清晰地看到实验电路的构建方案。同时，采用贴片封装的元器件能极大地降低电路板面积。

(5) 连接采用“短路子”方式，关键点设置测试端子，“短路子”的使用，可以方便学生比较不同的电路形式对于实验结果的影响。在实验过程中，将示波器的探头连接到各测试端子处，可以观察到信号在电路中的变化，使学生更深刻地理解实验原理，有助于学生在实验过程中发现问题。

(6) 各种高频信号尽量由系统自身生成，减少对外置信号发生器等实验仪器的依赖，达到易于操作的目的。也使实验过程中信号连接线在很大程度上减少，实验电路更为清晰，学生可以将更多的时间和精力用于对实验电路的深入理解与掌握上。

(7) 各个实验单元电路既可以独立完成实验，也可以互相级联组成一个较完整的高频系统进行系统实验。

(8) 部分电路还设置了耳机话筒等接口，增加了综合性、系统性和趣味性[8]。对于一些学有余力并且对高频电路有着浓厚兴趣的学生，实验系统给他们提供了课外设计与研究的机会。同时，实验系统丰富的外设接口可以满足不同实验的要求，激发了学生的研究兴趣，也使得实验系统更为完善。

2.2 实验系统的组成

基于整体式架构的设计思想，综合考虑“高频电子线路”课程涉及的实验内容，实验系统上可实现19个独立的实验电路，如表1所示。所有的实验项目都集成在一块印制电路板上，除了总电源开关外，每个单元电路均配备有小开关，可独立控制每个单元的供电。实验系统实物如图1所示。

表1 高频电子线路实验系统基础实验

(a)实验系统内部图

(b)实验系统外观图图1 高频电子线路实验系统实物图

以实验系统为平台可以开设的基础实验有：小信号放大单级单调谐、小信号放大单级双调谐、三点式振荡器、功放与倍频、集成压控振荡、振幅调制二极管检波、模拟乘法器构成的调幅器、模拟乘法器构成的同步检波、三极管混频器、集成混频器、模拟乘法器构成的混频器、变容二极管调频、变容二极管调频倍频、集成电抗管调频、比例鉴频器、乘法鉴频器、集成鉴频器、锁相环综合实验电路和锁相环调频发射接收系统。实验内容以突出高频模拟电路基础实验为出发点，涉及“高频电子线路”的各个章节。实验电路尽量采用各种不同的实现手段，涉及更多种类的高频基础器件，实现相同的实现功能，既便于学生掌握高频电子线路的基本工作原理，又能全面了解实用的工程应用技术，真正做到学以致用、融会贯通。

3 实验系统应用举例[9～11]

3.1 变容二极管调频

高频振荡的瞬时频率随调制信号作线性改变，叫做频率调制，简称调频[12]。产生调频信号的方法很多，本实验系统共设计了三种不同的调频电路，其中，变容二极管调频是一种最基本的直接调频电路，它将受到调制信号控制的可变电容与振荡回路连接，直接控制振荡回路中的电容发生变化，从而改变振荡器的瞬时频率，电路如图2所示。

图2 变容二极管调频电路图

图2中，BG2为高频三极管9018，设置为共基组态，它与电容C5、电容C7、电容C11、变容二极管VD1及电感L2组成电容三端式改进型电路——西勒电路，完成振荡功能。振荡信号经电容C4加在三极管BG1的基极，从三极管BG1发射极输出。改变电位器RW3，可改变输出信号ν0(t)的大小。变容二极管VD1工作在反偏状态，电源电压通过电阻R3及电位器RW2分压，给变容二极管VD1提供反偏电压，调节电位器RW2可使得变容二极管VD1的反偏电压在0～10 V之间变化；调制信号νΩ(t)通过电容C9及高频扼流圈L1加在VD1的两端，使变容二极管的反偏电压随调制信号变化，从而实现变容二极管调频。

调整振荡信号为fc=10.2 MHz/VPP=150 mV，调制信号为fΩ=1 KHz/VPP=1 V时，得到实验波形如图3所示。通过这个实验，学生可以更好的了解变容二极管调频电路原理、构成以及测量方法。

图3 变容二极管调频实验波形

3.2 乘积型混频器

混频器是一种典型的频率变换电路，即将某一频率的输入信号变换成另一频率的输出信号，而保持原有调制规律不变，其输出信号的频率是两个输入信号频率的和频或差频。混频按工作原理可分为两大类：叠加型混频和乘积型混频。叠加型混频是先将信号电压和本振电压叠加，再作用于非线性器件上实现混频。乘积型混频是将输入信号和本振信号通过模拟乘法器直接相乘而实现。实验系统共设计了三种不同的混频电路，下面以乘积型混频器为例介绍，电路如图4所示。

图4 乘积型混频器电路图

输入信号Vs(t)为f=6.5 MHz/VPP=100 mV的正弦波。本振信号VL(t)为f=10 MHz/VPP=200 mV的正弦波。两路信号均由高频信号发生器提供，同时作用于乘法器MC1496输入端。乘法器输出采用单端输出方式。带通滤波器为LC并联谐振回路，设计其中心频率为3.5 MHz。

由于电感、电容实际值的偏差，需要改变输入信号Vs(t)或者本振信号VL(t)的频率，找到混频输出最大值，实验得到的波形如图5所示，混频输出VI(t)为f=3.86 MHz/VPP=3.14 mV,混频增益AC=VIm/Vsm=3.14。通过这个实验，学生可以掌握由集成模拟乘法器实现的混频器电路的设计及频率变换的物理过程，深刻理解混频电路的基本概念。

图5 乘积型混频器实验波形

4 结语

本文介绍的高频电子线路实验系统，从2013年正式投入本科教学以来，师生普遍反映良好。实践证明，高频电子线路实验系统在高频电子线路实验教学中发挥了较大作用，不仅能满足高频电子线路相关课程日常教学的需求，还给学生提供了良好的实验平台，拓展了学生自主发挥的空间，极大地调动了学生对高频电子线路的学习热情，值得在兄弟院校中推广使用。在此，特别感谢我校设备处的支持与帮助。