趣味性物理教學實驗設計

楊心妍

摘 要 本文設計了一種關于電磁波幅度調制與解調的物理教學實驗裝置，采用正弦波振蕩器產生調制信號，利用多組開關和可調電阻形成陣列，模擬電子琴產生音樂聲，解調部分經過檢波放大并驅動揚聲器發聲。利用該裝置配合低成本的信號源和天線，在物理課程的電磁學實驗教學中使用，有利于學生學習電磁波調制和解調的工作原理，理解信號變換的全部過程，使實驗具有良好的趣味性。

關鍵詞 調制與解調 物理教學 實驗裝置 電子琴 趣味性

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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

在物理學課程教學內容中，一些教學知識點理論比較抽象，教師若在結合教學實際基礎上，充分理解學生好奇心和求知欲，適當開展趣味性實驗，能激發學生的探究式學習熱情，獲得意想不到的教學效果。[1]電磁波調制與解調是物理學重要知識點之一，開展實驗需要用到示波器和信號發生器等貴重儀器，很多學校受經濟條件所限，只能以低成本方案開設實驗，而放棄了知識的完整性。[2-3]利用虛擬儀器也是節約實驗成本的方法之一，[4-5]另一類方法是開設演示實驗，[6-7]但這些方法使學生失去了動手體驗的機會。本實驗裝置可以實現電磁波幅度調制和解調，既解決了實驗開設的成本問題，又使學生在實驗中體驗到音樂信息傳遞的完整過程，保證了物理實驗的知識性和趣味性。

1 音頻信號的產生與發射

電磁波作為載波發射，是為了搭載和傳遞信息，將聲音或圖像信息調制在高頻等幅電磁波上發射出去，常用的調制方法有調頻和調幅。這里主要介紹音頻信號通過載波調幅發射的實現方法。

1.1 音頻信號發生器

幅度調制部分的音頻正弦波產生電路如圖1，其主體部分是由電阻、電容元件構成選頻網絡的正反饋放大器，也稱為RC振蕩器，用來產生30Hz-3000Hz的音頻信號。可調電位器Wn串聯開關Kn形成多個調節支路，通過設置和調節每個支路的Wn值，改變各通路開關Kn閉合時的振蕩頻率，可產生一組共n個音頻振蕩頻率輸出，提供給幅度調制電路作為調制信號。

1.2 幅度調制器

調幅發射部分的實驗框圖如圖2所示，使用易于購買的低成本射頻信號源產生載波，[8]信號源的發射功率可達10mW，頻率設置為1GHz左右，發射天線選用符合頻率要求的普通天線。在信號源與發射天線之間插入信號調制器，獲得受音頻調制的載波幅度調制信號，并通過天線變成電磁波發射出去。信號調制器是實驗裝置的核心部分，利用音頻信號發生器振蕩，產生范圍在30～3000Hz可調的音頻調制信號，控制PIN二極管的正向電阻，形成幅度調制作用。普通二極管是由N型和P型雜質摻雜的半導體材料直接構成PN結，而PIN二極管是在N型和P型半導體材料之間加了一層薄的低摻雜本征半導體層。

PIN二極管有多種不同偏置方式，分別呈現不同工作狀態。在正向偏置方式時，即PIN二極管加正向電壓時，P區和N區的多數載流子會注入到I區并復合。電流I達到平衡狀態時注入載流子和復合載流子相等，本征半導體層因積累大量載流子而電阻下降，即PIN管正向偏置時呈低阻狀態。正向偏置電壓越高，注入I層的電流越大，載流子越多，其電阻越小，等效為一個0.1～10 之間小電阻。由于PIN管偏置電壓大小與電阻具有相關性，可以作為射頻開關和衰減器使用。作為射頻開關使用時，當二極管正偏則射頻接通，當二極管零偏或反偏則射頻斷開。作為串聯射頻衰減器使用時，二極管正向偏置電壓的不同大小，對應為不同射頻衰減量。因此，將音頻信號引入作為正偏電壓，可以實現電磁波幅度調制。圖2中音頻輸入端通過電阻R和電感L實現正向偏置，伴隨音頻信號的幅度值變化，PIN管阻值會發生相應變化，信號源產生的載波幅度也發生改變，產生音頻調制后的載波。

2 音頻信號的接收與解調

搭載有音頻信號的電磁波載波，可以實現遠距離信息傳播。到達用戶端后，通過天線接收射頻電磁波，并通過解調電路還原出音頻信號。

2.1 接收與檢波電路

在電磁波接收部分，接收天線將電磁波變為高頻電流，進入檢波二極管接收電路。檢波接收電路如圖3所示，為提高檢波效率并獲得盡量多的有用信號，應選擇與載波頻率適合的檢波二極管。搭載信息的高頻載波信號經天線接收后，輸入檢波二極管D，因為二極管的單向導通特性，正向信號得以通過，反向信號被二極管阻隔。通過二極管的信號，再經過容量較大的電解電容C的旁路作用，濾除正向信號中的剩余載波，輸出只包含音頻信息成分的信號。

2.2 音頻放大電路

檢波二極管輸出的音頻信號幅度微弱，不足以推動揚聲器發聲，甚至不能使功耗較小的耳機發聲。為實驗方便，采用了音頻放大電路提升音頻功率，直接驅動揚聲器。放大電路如圖4所示，使用音頻集成功放電路LM386作為放大器，電位器W用以調節從檢波二極管輸出進入放大器的音頻信號大小，從而達到控制揚聲器音量的目的。調制信號的頻率處于人耳聽覺頻率范圍，聲音尖銳或低沉直接反映調制信號的頻率，聲音的大小還可以反映調制信號的幅度等參數。當然，也可以用示波器監測音頻信號，能準確測量出更多調制參數。

3 趣味性實驗設計

本實驗要求學生預先設置音頻信號發生器各個開關支路的音調頻率，通過連續按動琴鍵開關變換音調，模擬電子琴演奏出簡短音樂聲。如表1所示，為以國際標準音A-la-440Hz為準的七個音的頻率。

實驗教師利用圖1正弦波振蕩器的開放接口，將電位器的調整功能引出。學生用面包板制作電子琴，每個標準音對應一組可調電位器Wn和琴鍵開關Kn，形成至少七個標準音，其中琴鍵開關用回形針或鈹青銅片制作，每一路開關串聯一個電位器，調節各支路電位器的阻值，用圖4的音頻檢測電路接收音樂聲，使喇叭中產生表1的頻率（可以配備價格低廉的樂器調音器以測量頻率）。然后，通過電子琴演奏出規定的簡單樂曲聲音，如要求演奏：123112313453455654315654312。

4 結束語

將電子琴電路產生的音樂聲調制到高頻載波上，再通過電磁波發射和接收解調，還原出音樂聲。按此實驗方法開展電磁波調制解調實驗，實驗裝置對幅度調制和解調的原理表達非常清晰，用聲音表達的實驗現象特別明顯，通過電磁波收發并成功傳遞樂曲聲的過程富有趣味性，對學生學習和認知物理學知識十分有效。同時，利用成本低廉的器材制作音頻調制器和檢波放大裝置，可以代替昂貴的信號發生器、示波器等儀器，降低了物理實驗開設的門檻，有利于實驗教學的推廣和普及。

參考文獻

[1] 王佩祥，喻秋山，黃志洋，等.偏振光實驗系統的趣味性改進[J].物理實驗，2016.36（2）：37-41.

[2] 李建英.物理低成本實驗的教學實踐探討[J].忻州師范學院學報，2012.28（2）：96-98.

[3] 謝桂英.自制低成本教具，提高初中物理演示實驗教學的有效性[J].物理實驗，2014.34（4）：11-14.

[4] 王學嚴，張茹，張虎，等.大學物理虛擬實驗一體化設計與實例[J].實驗技術與管理，2016.32（9）：124-127.

[5] 張秀敏.仿真實驗室在初中物理虛擬實驗中的應用[J].中國教育技術裝備，2015.22（11）：158-159.

[6] 李海寶.基于共享網絡空間的物理演示實驗教學平臺[J].實驗室研究與探索，2015.34（5）：177-181.

[7] 祁國良，曲勝艷，譚曉春，等.物理演示實驗改進之管見[J].物理實驗，2015.35（7）：19-22.

[8] 薛軍，潘高峰，謝勇.基于ADF4350的多頻段信號源的設計與實現[J].無線電工程，2011.41（11）：53-55.