基于Proteus的虚实结合通信电子电路实验教学
来源:用户上传
作者:严小黑
摘 要 通信电子电路实验是通信电子电路课程非常重要的环节，能让学生更好地理解通信电子电路课程中涉及的各种电路原理、设计思想、调试及作用。针对目前通信电子电路实验采用集成模块电路进行实验存在的学生只知如何进行调试，不知电路的具体构成，且缺乏对电路的设计环节等问题，提出将仿真电路实验与实物电路实验有机结合同步操作的教学模式。采用Proteus作为电路实验仿真平台，高频电路实验箱作为实物电路实验硬件平台，实现仿真与实物实验有机结合，两种实验可同步进行。学生在仿真实验中先可探索实验，然后做实物实验，可一定程度上解决单纯的实物实验存在的问题，效果良好。
关键词 通信电子电路实验;Proteus;仿真实验;实验箱;电路设计
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）22-0114-03
Experiment Teaching of Communication Electronic Circuit Com-
bined by Virtual Circuit and Physical Circuit based on Proteus//YAN Xiaohei
Abstract Communication electronic circuit experiment is a very important part of the course of communication electronic circuit. It can help students better understand the various circuit principles， design ideas， debugging and functions involved in the course of
communication electronic circuit. Aiming at the problems that stu-
dents only know how to debug， do not know the specific composition
of the circuit， and lack the design link of the circuit in the current experiment of communication electronic circuit using integrated module circuit， this paper puts forward a teaching mode that com-bines the simulation circuit experiment with the physical circuit experiment in an organic way. Proteus is used as the simulation plat-form of circuit experiment， high frequency circuit experiment box is used as the hardware platform of physical circuit experiment. The combination of simulation and physical experiment is realized. The two experiments can be carried out synchronously. In the simulation experiment， students can first explore the experiment， and then do
the physical experiment. To a certain extent， it can solve the problems
existing in the simple physical experiment， and the effect is good.
Key words communication electronic circuit experiment; Proteus; simulation experiment; experimental box; circuit design
1 前言
通信电子电路实验是通信电子电路课程非常重要的环节，是通信工程专业的一门重要专业课程。在该课程中，学生通过对相关的电子器件、常用通信电子电路及通信电子电路系统的研究，逐步掌握通信电子电路的基本知识、基本理论和基本技能，能够进行简单通信电子电路的设计与调试，并能使用常用电子仪器进行测试和分析调整[1]。课程主要包含两大通信电子电路系统，分别是无线电广播发射调幅系统和超外差接收机系统，涉及调谐放大器、功率放大器、正弦波振荡器、调幅解调电路、调频解调电路等十多种电路。
2 通信电子电路实验现状
目前，各高校的通信电子电路实验课程大部分采用相应公司生产的高频电路实验箱开展实验，实验箱包含十多个集成电路模块，每个模块可以做2～3个实验。学生在实验过程中给电路输入指定频率和电压的信号，通过调整电路板上的中周（即调LC谐振回路的电感或电容）、可调电阻器等可调器件，来获得所需的输出信号。学生通过实验操作可以初步掌握电路的调试方法，通过对输入、输出信号的对比可以获知电路的功能。但存在的问题也是非常明显的：
1）学生實验过程缺乏对电路的设计过程，虽然知道如何去调试电路来得到想要的输出，但是停留在“知其然，不知其所以然”的层面上; 2）学生在电路调试过程中可能存在操作不当的行为（如输入信号过大、中周调节力度过大等问题），会使得电路板损坏甚至烧毁，从历年的设备损坏率来看，每年的电路板平均损坏率达到30%，设备的维护成本较高。
基于此，探索一种新的实验教学模式势在必行。
3 虚实结合通信电子电路实验教学模式
虚实结合通信电子电路实验教学模式是指在原有实验箱实验教学的基础上，增加虚拟仿真实验的教学环节，虚实结合，互为补充。为满足虚实结合实验教学模式开展，在原有实验箱的基础上，硬件上需要增加一台性能适当的计算机，并需要安装Proteus软件平台。虚实结合实验教学模式具体流程为：首先，学生根据提供的实验电路，利用Proteus软件进行电路搭建，在此过程中需要掌握电路的组成及各元件的作用;然后，给电路输入指定的信号，利用软件自带的虚拟仪器对电路的相应点进行测试，对电路进行虚拟调试，观察测试结果，若得不到所要的结果，则需检测电路的正确性，反复修改调试，直到得到想要的结果;最后，在实验箱上利用实际电路开展实验，验证虚拟实验的结论，若虚拟和实际差别较大，可进一步对电路进行创新优化，进而使得电路更符合实际需要。具体实验流程如图1所示。
采用虚实结合的实验教学模式有以下优点：
1）增加了电路设计的环节，让学生在掌握电路结构的基础上更好地理解电路的工作原理，也可以让学生了解一个具体实用电路的设计思想;
2）先让学生在仿真软件上进行调试，可以减少其在实际电路调试时的误操作，降低设备损坏率;
3）虚拟仿真实验环节，能让学生了解电路可能存在的各种问题，让学生反复查找问题并自行修正，对电路的理解更加深刻;
4）可以满足学生对电路创新设计的需求，提高学生的创新思维和创新意识。
4 模拟乘法器调制与解调实验案例
模拟乘法器调制与解调实验是通信电子电路实验的重要核心实验，通过该实验让学生掌握无线通信过程中的信息转换机制，其实验电路如图2所示。
实验时，让学生先利用Proteus软件搭建出该实验电路，在此过程中，学生可以了解电路的结构组成及各部分的作用。具体而言，实验电路主要由四个模块组成：
第一部分是由U1模拟乘法器和电容C1、C2构成的DSB（抑制载波双边带调幅波）调制电路，其作用是实现调制信号与载波信号的相乘，从而输出DSB信号;
第二部分是由U2模拟乘法器和电容C3、C4构成的同步解调电路，其作用是实现DSB信号与同步载波信号的相乘，其输出中包含低频信号分量;
第三部分是由R2、C5构成的低通滤波器，其作用是从U2模拟乘法器的输出中滤出低频信号;
第四部分是由U3集成运放和R3、R4构成的同相比例电路，其作用是对低频信号进行放大，以便于示波器的观察。
电路搭建完成后，需要给电路输入信号，提供直流电源。输入的调制信号电压为5 V、频率为50 Hz，用UI表示;输入的载波信号电压为5 V、频率为5 kHz，用UC表示。示波器用于观察两输入信号与两乘法器的输出信号（即DSB信号和解调出来的低频信号），观察到的图形如图3所示。学生通过对四个信号频率、振幅、波形等参数的比较，能够很直观地理解相应输入、输出的关系，更能深刻地理解调制、解调的机理。由于实际实验电路输入信号不好，电路存在各种噪声，实际实验电路中往往观察不到这么稳定的波形，会在一定程度上影响学生对电路的理解，虚拟仿真实验环节正好可以弥补实际实验环节存在的这一缺陷。
学生完成虚拟仿真实验环节后，就利用实际实验电路开展实验。由于有了前一步虚拟仿真实验环节的铺垫，学生会上手很快，相关细节也会特别注意，误操作减少，对设备的损坏也大大降低。同时，由于学生对输入、输出信号的波形有了一定的认识，能较快调试出实际电路的输出信号。实际输出肯定会和虚拟仿真理想的输出有一定差距，这会引起学生反思：如何改进电路以获得更加稳定的输出，并把自己的想法在虚拟实验电路中实现？在学生把要求的基本实验步骤完成后，教师还可以启发学生如何实现普通调幅波的调制与解调以及SSB（抑制载波单边带调幅波）的调制与解调，由学生先在虚拟电路上设计，然后在实验电路上调整实现。以上均可以在一定程度上激发学生的创新思维，锻炼学生的创新能力，这是以往仅采用单纯的实际实验电路进行实验所做不到的。
5 结语
本文针对国内通信电子电路实验课程的教学实际情况及存在的问题，进行了相应的虚实结合实验的探索实践。虚实结合的实验教学模式增加了电路设计的环节，能让学生在掌握电路結构的基础上，更好地理解电路的工作原理及电路的设计思想;能减少学生在实际电路调试时的误操作，降低设备损坏率;能让学生了解电路可能存在的各种问题，让学生反复查找问题自行修正，对电路的理解更加深刻;可以满足学生对电路创新设计的需求，提高学生的创新思维和创新意识。
参考文献
[1]赵权科，王开宇，秦晓梅，吴丹青.“数字电路实验”课程教学中的虚实结合模式探索[J].工业和信息化教育，2018（1）：69-73.
[2]姜艳红，王开宇，孙鹏，等.“电路实验”课程虚实结合实验教学体系探索与研究[J].工业和信息化教育，2018（1）：83-87.
[3]戴桂平.“虚实结合”的“通信原理与实践”实验教学研究[J].苏州市职业大学学报，2019，30（1）：83-88.
[4]王开宇，卢诚，姜艳红，等.基于Multisim和LabVIEW的虚实结合数字电路实验教学[J].实验室研究与探索，2019，38（2）：140-143，159.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15195497.htm
