包 濤， 周德云， 林華杰

(西北工業(yè)大學(xué) 陜西省電子實驗教學(xué)示范中心，西安 710129)

0 引 言

電子信息系統(tǒng)中，正弦波作為測試信號、參考信號以及載波信號而被廣泛使用。正弦信號產(chǎn)生的最直接方法則是利用運(yùn)算放大器，配以少量的外接元件構(gòu)成正弦波振蕩電路[1-2]。文氏電橋振蕩器是一種無需外加激勵而能產(chǎn)生1Hz ～ 1MHz范圍內(nèi)的正弦波電路，它在電子測量、自動控制、通信及廣播等電子技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。因此，文氏電橋振蕩器也是模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中的重要知識點(diǎn)之一。

在實驗教學(xué)中，考慮到文氏電橋振蕩電路是一個帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路，這對于學(xué)生建立正反饋放大電路的概念、分析振蕩電路的振蕩原理和觀察自激振蕩的現(xiàn)象都具有重要意義。因此，文氏電橋振蕩器始終作為一個不可替代的實驗項目而獨(dú)立存在。

1 存在的問題

模擬電路實驗課程的目的是輔助學(xué)生掌握模擬電路的基本分析方法，提高實驗技能和培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力。但從目前的情況來看，學(xué)生通過實驗課程學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)理論的效果并不好，① 課程本身特點(diǎn)決定，涉及到的器件種類多、電路形式多、基本概念多、分析方法多、微觀細(xì)節(jié)多和內(nèi)容抽象復(fù)雜等；② 可能就是教學(xué)方法和教學(xué)手段選擇不當(dāng)[4-6]。

例如，在文氏電橋的實驗教學(xué)中，RC橋式振蕩電路由兩部分組成，即放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。圖中，R3、R4、Rp構(gòu)成負(fù)反饋支路，調(diào)節(jié)電位器Rp可以改變負(fù)反饋的深度，確保滿足振蕩的振幅條件和改善波形；R1、R2、C1、C2組成的串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路并兼作選頻網(wǎng)絡(luò)；兩個反向并聯(lián)二極管D1、D2則是利用正向電阻的非線性特性實現(xiàn)穩(wěn)幅；接入R4是為了消除二極管非線性的影響，以改善波形失真。

圖1 RC正弦波振蕩器

圖1中，若R1=R2=R，C1=C2=C，則振蕩頻率為

(1)

然而，若要使該電路自激振蕩，則需滿足下式所示的振幅起振條件：

(2)

即，可通過調(diào)節(jié)電位器Rp來滿足振蕩的振幅條件和改善波形。

對于這一部分內(nèi)容的教學(xué)，在常規(guī)實驗課程中通常分以下3步進(jìn)行：

(1) 調(diào)節(jié)可變電阻Rp，使輸出波形從無到有直至失真，記錄臨界起振、正弦波輸出及出現(xiàn)失真情況下的Rp值，反饋電壓Uf和輸出電壓Uo的幅值，并將結(jié)果記錄于表1中。

表1 文氏電橋振蕩實驗測試數(shù)據(jù)表

(2) 測量當(dāng)C1=C2=0.01 μF和0.02 μF兩種情況下(輸出波形最大不失真)，輸出波形的幅值和頻率，記入表2中，并與理論值相比較。

表2 正弦波振蕩器輸出信號測試數(shù)據(jù)表

(3)斷開二極管D1、D2，重復(fù)步驟(1)的內(nèi)容，并與步驟(1)的結(jié)果進(jìn)行比較。

由此可見，這樣的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計僅僅是將其定位為驗證性實驗項目，學(xué)生做實驗演變成了對著講義“照方抓藥”，機(jī)械地按照實驗指導(dǎo)書接線、操作和使用儀器設(shè)備，讀取實驗數(shù)據(jù)，記錄實驗波形。這種以教師講授為主的實驗教學(xué)模式，造成學(xué)生對實驗現(xiàn)象視而不見，對出現(xiàn)的問題束手無策。此外，由于過于強(qiáng)調(diào)實驗過程的統(tǒng)一性和實驗內(nèi)容的驗證性，使得實驗內(nèi)容完全依附于理論教學(xué)，并不利于進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和創(chuàng)新思維的發(fā)揮。

比如說，通過完成上述實驗內(nèi)容，學(xué)生很少會思考這樣幾個問題：文氏電橋振蕩器是一種無需外加激勵而能產(chǎn)生正弦波輸出的電路，只要放大增益滿足條件時，電路即可自激產(chǎn)生信號。那么問題來了，欲放大的信號到底從何而來？其次，文氏電橋振蕩器在滿足振蕩條件時輸出就一定是正弦波嗎？此外，在實際的工程應(yīng)用中，正弦波產(chǎn)生電路很少單獨(dú)存在，那么它在實際應(yīng)中的價值主要體現(xiàn)在哪些方面？

實驗教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是高等學(xué)校教學(xué)體系的重要組成部分。它通過將復(fù)雜抽象的理論形象化，在增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識的同時，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在電子信息專業(yè)發(fā)揮著理論教學(xué)不可替代的作用[7]。為此，本文從整體實驗的教學(xué)設(shè)計出發(fā)，結(jié)合Multisim仿真軟件，具體說明如何通過教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，使學(xué)生對文氏電橋振蕩器這一塊知識的理解更加深入。

2 教學(xué)設(shè)計

在理論教學(xué)中，對文氏電橋振蕩器的分析方法主要是從正反饋方框圖得出振蕩條件，再通過分析RC網(wǎng)絡(luò)的頻率特性得出文氏電橋振蕩電路的組成原則或通過列微分方程求解的方法得到文氏電橋振蕩器的輸出表達(dá)式。有了以上的理論基礎(chǔ)，那么，在實驗教學(xué)中，則從觀察實驗現(xiàn)象入手，循序漸進(jìn)的引導(dǎo)學(xué)生體會振蕩器的工作原理[8]。

2.1 實驗內(nèi)容

正弦波振蕩電路產(chǎn)生振蕩必須滿足起振條件、幅度平衡條件和相位平衡條件。

起振條件：總增益 > 1；

幅度平衡條件：總增益 = 1；

相位平衡條件：放大電路的移相+反饋網(wǎng)絡(luò)的移相=2nπ(n=0，1，…)。

若電路滿足總增益>1，此時電路產(chǎn)生增幅振蕩，即輸出信號在啟動后從小到大變化，進(jìn)而通過反饋網(wǎng)絡(luò)中的非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)放大電路的增益，直至平衡。

文氏電橋振蕩電路從起振到穩(wěn)幅極其短暫，在教學(xué)過程中由于這部分內(nèi)容非常抽象，學(xué)生常常難于理解，即便在實驗室用示波器觀察也很難捕捉此現(xiàn)象。因此，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)將振蕩器的波形產(chǎn)生原理分以下步驟形象演示：

(1) 初始。初始時，電路中僅存在微弱的頻譜分布很廣的雜波信號，如圖2所示，其中也包括f=1/(2πRC)這樣一個頻率成分。由于放大倍數(shù)較小，此時電路尚未滿足自激振蕩的條件。

圖2 電路中僅僅只存在微弱的雜波信號

(2) 振蕩。逐漸增大滑動變阻器Rp的阻值，當(dāng)滿足式(2)中自激振蕩的條件時，圖2中的微弱信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，通過R1、R2、C1和C2組成的正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，使得輸出信號的幅度越來越大，即振蕩產(chǎn)生。由圖3可見，波形從無至有逐漸增大。① 幅度平衡。將圖1中可調(diào)電阻Rp的值設(shè)置為65%×10 kΩ，打開仿真開關(guān)和示波器窗口，觀察到正弦信號并非是從一開始就輸出，而是經(jīng)歷了一個從無到有，從小到大的漸變過程，如圖3所示為正弦波建立振蕩的全過程。此外，由于由U1、Rp、R3和R4等組成的同相比例放大器的放大倍數(shù)隨Rp的變大而增大，即Rp的取值越大，振蕩建立的時間就越短。若Rp的值設(shè)置為小于65%，由于同相比例放大器的放大倍數(shù)小于3，不滿足正弦波振蕩電路的振蕩條件，導(dǎo)致振蕩無法建立。② 相位平衡。將示波器B通道接圖1電路中運(yùn)算放大器U1的同相輸入端，如圖4所示。設(shè)此信號為Ui，運(yùn)算放大器U1的輸出信號為Uo，顯然Uo與Ui的幅值之比為放大電路的放大倍數(shù)，Uo與Ui的相位之差為放大電路的相位差。輸出波形平穩(wěn)后，Ui和Uo的信號波形如圖5所示，兩路信號完全同相，即滿足相位平衡條件。

圖3 波形從無至有開始振蕩

圖4 RC正弦波振蕩器

圖5 Ui和Uo兩路信號滿足相位平衡條件

從圖5也可以看出Uo與Ui的幅值之比為3，同時滿足幅值平衡條件。

(3) 穩(wěn)幅。穩(wěn)幅是利用圖1中兩個反向并聯(lián)的二極管D1、D2，其正向電阻的非線性特性實現(xiàn)。當(dāng)輸出信號較小時，二極管截止；隨著振蕩信號振幅的不斷增大，二極管在交替出現(xiàn)的輸出波形峰值處導(dǎo)通。為了保證輸出波形正負(fù)半周對稱，D1、D2需采用特性匹配的硅管(溫度穩(wěn)定性好)。

(4) 失真。若繼續(xù)增大Rp，由于放大倍數(shù)過大，則造成輸出波形失真，如圖6所示。

圖6 放大倍數(shù)過大造成波形失真

由此可見，虛實結(jié)合的實驗教學(xué)方法，對于學(xué)生理解模電抽象知識的理論大有裨益，將課本知識通過動手實驗內(nèi)化為自己的理解與認(rèn)識，這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的關(guān)鍵手段。

2.2 典型應(yīng)用——電子琴電路

一首音樂由許多不同的音階組成，且每個音階對應(yīng)不同的頻率，表3所示即為C調(diào)各音符與頻率值的對照表。因此，通過不同頻率的組合, 即可構(gòu)成想要的音樂。

表3 C調(diào)音符與頻率值的對照表

2.2.1實驗要求

由文氏電橋振蕩器和單片機(jī)設(shè)計產(chǎn)生一段旋律。

2.2.2實驗內(nèi)容

(1) 利用RC文氏電橋振蕩電路產(chǎn)生不同頻率的正弦信號，即構(gòu)成音階。電阻值(R)和電容值(C)根據(jù)表3選取。

(2) 鍵盤上的按鈕與產(chǎn)生的音階一一對應(yīng)，每按一次時，音階的符號都通過數(shù)碼管呈現(xiàn)。

(3) 將正弦波進(jìn)行處理，得到方波后送入單片機(jī)I/O 口，經(jīng)放大以驅(qū)動喇叭發(fā)聲。

3 教學(xué)效果

綜上，理解自激振蕩產(chǎn)生的條件、觀察波形產(chǎn)生的現(xiàn)象，對于學(xué)生深刻理解文氏電橋振蕩器這部分的內(nèi)容具有重要意義。但在實驗教學(xué)中，如果單純用硬件設(shè)備來做實驗，通過示波器來觀察輸出波形，學(xué)生只能觀察到波形產(chǎn)生的變化“結(jié)果”，而無法體會波形產(chǎn)生的“變化過程”。

使用Multisim軟件進(jìn)行電子電路綜合設(shè)計，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子電路綜合設(shè)計實踐的不足，有效地提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。課程實行教改后，班級學(xué)生對于電子電路設(shè)計的積極主動性和自信心明顯增強(qiáng)，積極參加校內(nèi)外電子設(shè)計大賽。只有注重在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生體驗真正的科研和實踐，才能夠體現(xiàn)出高水平研究型大學(xué)“以生為本”的核心價值觀。

4 結(jié) 語

將虛擬仿真技術(shù)引入模擬電子技術(shù)實驗課教學(xué)，借助Multisim軟件的電路仿真功能，可直觀形象的演示電路特性變化，如：改變電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)等[9-10]。通過這樣的教學(xué)設(shè)計，增強(qiáng)了學(xué)生對抽象的模擬電路理論的感性認(rèn)識，并加深對所學(xué)知識的理解[11-12]。此外，可進(jìn)一步擴(kuò)充實驗內(nèi)容，將所學(xué)知識放到實際應(yīng)用環(huán)境中去理解，加強(qiáng)理論聯(lián)系實際，提高課堂效率和教學(xué)效果[13-16]。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)設(shè)計是對傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)方法和教學(xué)手段的有效補(bǔ)充，且在設(shè)計實驗內(nèi)容時更具多樣性，能夠充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，提高實驗教學(xué)效果，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識和實踐能力。