晶體管收音機裝、調實踐教學研究

李建　王爍

摘 要：晶體管收音機的安裝和調試是高校以培養學生綜合能力為目的在電子工程類專業一年級學生開展的傳統工程實踐課程。本文以CDIO工程教育理念出發，結合傳統教學經驗，用最簡單的收音機為切入點，進行系統原理、分析元器件分析、仿真驗證、組裝和調試，逐步引導學生完成整個晶體管收音機的裝、調實踐項目，讓零基礎學生的也能建立學習興趣，讓學生的理論和實踐等到更緊密的結合。

關鍵詞：晶體管 收音機 CDIO工程教育

晶體管的發明是人類歷史上的重大事件，它作為當今社會信息化、網絡化、自動化、智能化等高新技術的基礎與先導，從根本上改變了人類社會的生活面貌[1]。晶體管收音機的組裝和調試是高校以培養學生綜合能力為目的在電子工程類專業一年級學生開展的傳統工程實踐課程。傳統的教學方法是先講解晶體管收音機的接收原理，再指導學生進行收音機組裝與調試，以能收聽到電臺廣播節目就算完成任務，這不是CDIO的工程教育培養模式。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement） 和運作（Operate）。CDIO工程教育理念就是要以項目實施的全過程為載體來培養學生的工程能力，包括學生的工程科學、技術知識，自身的終身學習能力、團隊交流合作能力以及在社會和企業環境下的建造能力[2]。本文結合傳統教學經驗，以最簡單的收音機為切入點，進行系統原理分析、元器件分析、仿真、組裝和調試。逐步引入調諧電路、單晶體管音頻放大電路、無源低通濾波電路、乙類功率放大電路、本地振蕩電路、混頻電路諧振放大電路和AGC電路。每引入一個電路就是對晶體管收音機的一次升級，并對引入的電路進行獨立和整合后的原理分析、仿真、組裝和調試。晶體管收音機的裝、調實踐項目就在六次課（24個學時）中完成。調查統計發現學生在完成晶體管收音機調試后，大部分學生都沒有再用調試好的晶體管收音機收聽節目，少數人一周內會有使用，之后就廢棄了。通過晶體管收音機裝、調實踐項目讓學生參與到了晶體管收音機安裝調試運行改良至終結廢棄的全過程，增強了學生的CDIO工程教育的理念，讓學生理論和實踐等到更緊密的結合。下面對晶體管收音機裝、調實踐的教學過程進行介紹。

一、最簡單的收音機

最簡單的收音機原理圖如圖1a所示，這個收音機制作起來就非常的簡單，只需要漆包線、一個耳機和一個普通二極管就能聽到電臺廣播的聲音，關鍵還不需要供電。考慮到在實驗室制作的原因，選用已有的晶體管收音機套件，則改變后的電路如圖1b所示， 用磁性天線代替大樹，天線線圈任選一組，二極管選用1N4148，3.5mm耳機插孔（方便使用手機的耳機收聽）。

電子信息專業相關的項目中對模擬和數字電路進行功能仿真，最常用的是Multisim仿真軟件。通過該軟件繪制出最簡單收音機的仿真圖如圖2所示，XFG1為Agilent的信號源，XSC1為Tektronix的四通道示波器，實驗室為雙通道示波器。選用這兩個儀器最大的優點就是界面和實驗室的儀器基本一樣，先用虛擬儀器熟悉操作后，再到真實的儀器上操作。即降低了真實儀器的磨損，也提高了儀器的利用率。該仿真電路需要注意的就是變壓器T1代替的是磁性天線及其線圈，在T1參數設置的時候選擇非理想電感，初級線圈電感值約為600uH，Q值37（通過電橋測試儀在40kHz時測得，若不加磁性天線在線圈中，電感值約為53uH，Q值3.7），R1為耳機阻抗，也可以設置為32Ω，由于真實耳機功率一般不超過100mW，需先用電阻模擬耳機，待信號調至合適幅度后方能接上耳機試聽。指導學生學用虛擬儀器產生調制波形，幅度不超過1V，經R2模擬傳播衰減，C1耦合到天線T1上，再檢波輸出。在學生經過對系統原理和仿真了解后，讓學生自行修改C1，R1，R2參數，取消或改變D1的方向，使得學生增進了對簡單收音機原理的掌握，明確每個元件參數對系統的影響，理解二極管特性以及二極管在檢波電路中的作用。最后通過真實的信號源產生調幅信號，用直插的電阻電容做信號的衰減和耦合至收音機。安裝最簡單的收音機，用耳機聽出加信號和不加信號的差異，調試并記錄真實示波器波形，對比仿真結果與實際的差異。體驗了產品的使用效果后，構思改進方案，并在仿真軟件上驗證。在學生經歷了電路設計、仿真、組裝和調試的過程后，即經歷了一個產品的研發過程。

二、引入調諧電路

通過對最簡單的收音機進行系統原理分析、仿真驗證、組裝和調試，學生會發現電路雖然簡單，但是存在諸多缺點，比如沒有選擇性，雜音多，音量小且不能調節，即使是加了無干擾的調幅信號后，聽到的單頻聲音也不正常等等。這是第一批產品在用戶使用后反饋回來的諸多問題，針對這些問題以及產品后續的發展，都應該逐一解決。先對沒有電臺選擇這一關鍵問題進行改進，即加入調諧電路。這里調諧電路又分為單調諧電路和雙調諧電路兩種，根據LC諧振回路的特性，對比單、雙調諧電路的特點。調諧電路的收音機原理如圖3所示，可以發現二極管的接法變了，后端的電容又有什么作用，若改為雙調諧電路又應該如何連接，帶著這些問題讓學生選擇自己合適的電路進行改進工作。

加入調諧電路的音機仿真圖如圖4所示，該系統產生了三個不同頻率（535 kHz，1000kHz，1465kHz）和幅度的調幅信號，以此來簡單模擬現實中復雜信號的場景，充分體現出調諧電路的優點。由C2和線圈構成的LC諧振回路，根據線圈電感600uH，要分別把三個頻率選擇出來，C2分別的取值需要由學生計算得出。另外根據仿真電路，C2的變化，可以從示波器上明顯看出三個信號的幅度變化，以此來體現調諧回路的優點。閉合開關S1，同時修改C3的值，觀察R1上的波形變化。安裝簡單收音機時，由于C3在實際可調電容中無法找到，則用幾個固定值的電容替換測試。這個試驗的信號產生可以用一個信號源分別產生三個信號進行測試，或用三個信號源像仿真圖上的接法進行連接。用耳機聽出信號在可變電容改變電容值時信號的變化，調試并記錄真實示波器波形，對比仿真結果與實際的差異。在引入調諧電路后，即對電路進行了升級，是一個產品的延續升級過程。

三、引入其他電路

在引入調諧電路后，學生對電阻、電容、電感和二極管有了很深的認識，能用仿真軟件對其他簡單電路進行初步驗證，并根據電路進行安裝和調試。接下來加入晶體管音頻放大電路，也叫前置放大電路，含晶體管放大電路的收音機原理圖如圖5所示，該電路是掌握晶體管放大特性的最基礎的電路。晶體管放大電路工作需要電源，輸入輸出需要用電容來隔斷直流分量，通過仿真熟悉工作原理后，進行安裝調試。在安裝好該電路后，調試的過程中學生會發現耳機的聲音變大了。

引入無源低通濾波電路給學生帶來的聽覺變化就很微小了，通過仿真可以非常方便的看到濾波器的特性，如圖6所示RC濾波器與LC濾波器，對比兩種濾波的特性，并引出高通、帶通、以及高階濾波器讓學生課后思考。

從加入濾波器的收音機原理圖中可以看出，濾波器加了兩處，都為π型濾波器，如圖7所示。電源輸出后加濾波器的作用除了濾波，還有電阻的限流作用，所以在電路越復雜，工作電流越大的時候，此電阻值的選取尤為重要。在此處加入了音量控制的電位器，讓學生覺得這個功能的實用性非常大。

引入乙類功率放大電路是對晶體管使用的一個提升，該電路設計的元器件很多，所以把未調試的部分隱藏，直接采用完整電路進行講解。電路的參數，序號可以直接使用，讓安裝后的電路板初具規模。本地振蕩電路與混頻電路的引入讓調試的難度加大了不少，本來之前還能聽到比較清楚的電臺，現在聲音質量更差了，這樣讓學生對超外差式收音機有了感性和理性的認識。帶著這些疑問，再引入諧振放大電路與AGC電路后，完整的晶體管收音機原理圖就展現出來了，如圖8所示。這是學校已經明白如何去分析解決問題，并能進行系統電路聯調，讓晶體管收音機的整機性能達到了最好的效果。

在整個課程中，以兩人一組，合理分工，原理分析、仿真、安裝和調試各有側重，互相解答學習。要求在驗收時才能把喇叭接入，這樣即讓整個課程中不再嘈雜，也讓學生有個相對安靜的調試環節，有問題的同學更能得到及時有效的解答。

結語

本文介紹的晶體管收音機裝、調實踐教學，適合電子工程類專業一年級的學生，讓零基礎學生的也能建立學習興趣，是以最簡單的收音機為切入點，進行系統原理分析、元器件分析、仿真、組裝和調試。逐步引入調諧電路、單晶體管音頻放大電路、無源低通濾波電路、乙類功率放大電路、本地振蕩電路、混頻電路諧振放大電路和AGC電路。由簡到繁，讓學生學會獨立思考、協作、分析和解決問題的能力，符合CDIO的工程教育培養模式，讓學生的理論和實踐等到更緊密的結合。

參考文獻

[1]盧森鍇.晶體管發明60年[J].大學物理，2008年2月第27 卷第2 期

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

第一作者：李建 1983年6月，男， 漢族，籍貫： 四川內江，職稱：講師，學歷：碩士，工作單位：成都信息工程大學

第二作者：王爍 1982年9月，男， 漢族，籍貫： 青海共和縣，職稱：講師，學歷：碩士，工作單位：成都信息工程大學