基于Multisim和LabVIEW的“高頻電子線路”課程實驗教學改革與實踐

李瑜慶?田娟

摘? 要：“高頻電子線路”課程是電子信息工程專業學生的一門專業必修課，具有難學、難教的特點。文章在總結多年教學實踐經驗的基礎上，從培養學生工程化實踐能力入手，采用虛實結合的方法，構建基于Multisim和LabVIEW的仿真實驗，制定工程化教學模式。結合工程實例，采用專業仿真軟件輔助教學，改進教學方法，提高了教學質量，降低了課程學習難度，加強了對學生工程實踐能力的培養。

關鍵詞：工程化;Multisim和LabVIEW;實踐能力

中圖分類號：TP391.9;G434 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0183-04

Reform and Practice of Experimental Teaching of “High Frequency Electronic Circuit” Course Based on Multisim and LabVIEW

LI Yuqing， TIAN Juan

（School of Electronics and Electrical Engineering， Bengbu University， Bengbu? 233030， China）

Abstract： “High-frequency Electronic Circuit” course is a compulsory course for students majoring in electronic information engineering， which is difficult to learn and teach. On the basis of summarizing many years of practical teaching experience， this paper starts from cultivating students’ engineering practice ability， adopts the method of combining virtual with real， constructs simulation experiment based on Multisim and LabVIEW， and formulates the engineering teaching mode. Combined with engineering examples， professional simulation software is used to assist teaching， improve teaching methods， improve teaching quality， reduce the difficulty of course learning， and strengthen the cultivation of students’ engineering practice ability.

Keywords： engineering; Multisim and LabVIEW; practice ability

0? 引? 言

對普通高校電子信息類學生而言，“高頻電子線路”課程是一門重要的專業基礎課。該課程是“電路分析”“模擬電子技術”的后續課程，具有一定的深度與難度，實踐性強，該課程的學習效果將對后續“通信原理”“傳感器與檢測技術”等課程的學習以及大學生電子競賽等學科專業競賽產生較大的影響。在新的“三中心”教學范式（以學生發展為中心、以學生學習為中心、以學習效果為中心）中強調了學生學習成果或獲得能力的中心地位，這也是OBE教育理念的核心思想;當前，通信技術相關產業發展迅猛，迫切需要大量既有理論基礎又有實踐經驗的科技人才，所以提高學生對本門課程的學習效果迫在眉睫。

在許多普通高校，該課程的實驗通常是在實驗箱上完成驗證性實驗，學生只是參照實驗指導書進行相關的操作，完成相關實驗結果的記錄、現象等的驗證，不利于學生對相關高頻知識的掌握及其實踐應用能力的培養與提高。長期的教學實踐使我們認識到在該課程的教學過程中要以基本理論為基礎，結合當今社會的實踐應用提高學生的學習興趣，引導學生自主學習，扎實掌握重要知識點及其具體應用，這對改進實驗教學方法、提高學生的學習效果、培養學生的綜合能力具有十分重要的意義[1]。

1? 實驗仿真教學的必要性

傳統形式的課程實驗主要包括小信號調諧放大、高頻功率放大、振蕩電路、幅度調制與解調、角度調制與解調以及鎖相環路等實驗內容，主要存在以下幾個方面的不足。

1.1? 學生對傳統實驗興趣不高

教師在傳統的驗證性實驗授課中，普遍采用先講解實驗原理和要求，再演示具體的操作步驟，最后學生按照實驗指導書來完成實驗操作，實驗學習完全屬于手把手教學模式。在整個實驗過程中學生只是機械地參照老師的實驗過程及實驗指導開展實驗，學生的學習積極性、主動性以及對實驗的興趣都沒有被調動起來。對于多數的驗證性實驗項目，實驗電路原理是已知的，元器件也是焊接好的，不宜調整，在實驗過程中，由于學生對原理知識掌握不牢，容易出現各種各樣的問題（如元器件損壞、出現非理想波形等），學生對相關電路本質原理的理解不透徹、對該電路的學習深度不夠，往往不知道從何處下手解決問題，使學生在兩個課時的時間都不能完成實驗，這將會使學生做實驗的積極性和主動性嚴重受挫。

1.2? 對實驗設備要求比較高

該課程的實驗多采用實驗箱，并借助示波器、信號發生器、掃頻儀等輔助設備來完成。通常，實驗箱由小信號調諧放大、晶體振蕩器、幅度調制與解調、二極管包絡檢波、頻率調制與解調、鎖相環路等模塊構成，一般需要一個或多個模塊電路配合完成每一個實驗項目的驗證性實驗[2]。示波器、掃頻儀等設備顯示實驗結果，學生可直接或經過簡單的計算來記錄實驗結果。相較于模擬電子線路，該課程實驗處理的信號頻率要高很多，信道、各種元器件等容易引入噪聲干擾，導致實驗波形不夠理想，影響學生對實驗結果的觀察分析[3]。

1.3? 實驗多為驗證性實驗

在一般的高校中，該課程的實驗以驗證類為主，操作這種實驗的目的是為了讓學生比較直觀、快速地理解抽象難懂的理論，但事實上取得的效果往往也是十分有限的。單純的驗證性實驗是在現成的、固定的電路板上開展的，學生很難通過實驗獲得實際的工程經驗，學生的實踐能力也得不到提高。此類實驗在電路分析、模擬電子技術等課程中開展了很多，基本的電源、信號發生器、示波器等儀器儀表學生已能較熟練地使用，學生在這方面的技能也不會得到明顯的提高。驗證性實驗線路連接簡單，學生按照實驗指導書上的步驟和方法操作，很容易觀察到實驗現象以及得到測量結果[4]。這種實驗的過程是固定的，不能引起學生的興趣，激發學生想象力、創造力這種深層次的目標更是無從談起，不利于學生綜合素質的提高，實現不了實驗教學的目標。

1.4? 傳統實驗教學不符合教改發展方向

傳統單純性的實驗室教學模式是被動的實驗教學，實驗步驟固定，操作方式單一，大部分學生秉持“老師教什么，學生學什么，老師怎么教，學生就怎么樣做”的心態，不能激發學生學習的積極性、主動性，不利于創新型人才的培養。教學模式單一，學生沒有學習熱情，對學生實驗技能和科研能力的培養均有限。綜上，傳統的實驗教學模式已無法滿足當今實驗教學的需要[5，6]。

2? 基于 Multisim和LabVIEW的實驗教學改革措施

2.1? 虛實結合提高教學效果

將傳統實驗模式與借助虛擬仿真軟件Multisim和LabVIEW的實驗教學相結合，利用Multisim和LabVIEW搭建高頻電子線路仿真實驗實例，學生可進行高頻電子實驗過程驗證，可開展相關電路的仿真設計等，還可以利用LabVIEW與Multisim的交互仿真功能，實現仿真設計，培養學生的自學能力。利用軟件中提供的各種儀器儀表、分析方法等，學生可以快速高效地掌握教學計劃中的基本概念、原理知識等，熟悉各種儀器設備的使用方法，開拓學生思維，提高其學習效率和學習興趣。

例如在二極管峰值包絡檢波內容的講解過程中，學生不容易理解理論課中所涉及的惰性失真和負峰切割失真的緣由，利用Multisim仿真峰值包絡檢波就能使學生直觀地觀察到檢波電路中電阻改變時對檢波輸出的影響，在軟件上的操作也比較簡單，能很好地解決上述問題。其仿真電路如圖1所示，電路中模擬乘法器A1產生AM條幅波，送入二極管檢波電路中，并且輸入信號大于0.5 V。分別利用示波器CH1、CH2觀察AM及檢波輸出波形。雙擊示波器圖標即可得到如圖2所示的AM及檢波輸出波形。當增加R2到70%（14 kΩ）時，可以看出檢波器輸出波形已經有較明顯的惰性失真出現;當R2增大到90%（18 kΩ）時，失真波形如圖3（a）所示。當R2減小到50%，輸出將恢復正弦波;當R3減小到8%左右時，輸出呈現較明顯的負峰切割失真;當R3減小到2%時，其負峰切割失真如圖3（b）所示。

在相位調制解調講解的過程中，學生不容易理解其調制解調中波形、頻譜等的具體形式是怎樣的，利用LabVIEW就能較好地解決上述問題，也便于學生從模塊級理解調制解調的過程及具體內涵。圖4為相位調制解調前面板，圖5為相位調制解調后面板程序。

2.2? 拓展綜合設計性實驗內容

“高頻電子線路”是一門實踐性非常強的課程，現實生活中常用的對講機、收音機、廣播、電視等設備都是該課程所涉及內容的具體應用，如無線電信號的傳播、小信號調諧放大、功率放大、調制與解調、混頻器、振蕩器等。而“幅度、角度信號的調制”“幅度、角度信號的解調”“高頻功率放大器”“高頻振蕩器”“混頻器”等內容則是本門課程的主要內容，同時也是實驗中的重點內容，在學生的學科專業競賽、大學生創新創業項目中多有涉及，如“功率放大器的設計”“遙控小車（飛機）的制作”“刷卡系統設計”“調幅信號處理實驗電路”“遠程幅頻特性測試裝置”等。利用Multisim和LabVIEW軟件搭建相關功能電路，強化對相關功能電路的設計、調試等，進一步驗證相關電路的功能和效果，并拓展“簡易調頻發射機設計”“簡易調頻接收機設計”“小功率調幅發射機設計”“超外差調幅接收機設計”“寬帶高頻功率放大器設計”“窄帶高頻功率放大器設計”等設計性、綜合性及創新型實驗，具體實驗項目如表1所示。確定驗證性實驗為基礎、設計性實驗為主體、綜合設計性實驗為延伸的實驗方案，著力提高學生的實驗興趣、培養學生的實踐動手能力，切實加強對學生學習能力的培養。通過本門課程的實驗提高學生的實際操作、工程應用和創新能力。

3? 結? 論

“高頻電子線路”課程既難教更難學，而掌握該課程相關理論知識，提高相關的技能、工程應用和創新能力對學生后續課程的學習及專業方向的發展至關重要。在課程教學過程中引入工程實例和仿真軟件等輔助教學，開展設計性、綜合性及創新型實驗內容，激發學生的學習興趣，提升學生學習的積極性、主動性，提高學生的實踐能力和創新意識。同時不斷探索新的教學方法，以提高教學質量，培養創新型人才。

參考文獻：

[1] 張子硯.應用型本科中高頻電子線路課程教學方法改革探索 [J].課程教育研究，2016（1）：220-221.

[2] 鄭艷華.“高頻電子線路實驗”課程中綜合性實驗項目改革探索 [J].課程教育研究，2019（6）：36-37.

[3] 周瑩蓮.“高頻電子線路”課程教學改革的探索與實踐 [J].教育教學論壇，2016（7）：126-127.

[4] 李士軍.電子技術實驗與課程設計 [M].長春：吉林大學出版社，2008.

[5] 劉玉龍，李曉輝，劉乃安，等.“高頻電子線路”可視化教學方法研究 [J].電氣電子教學學報，2016，38（2）：102-105.

[6] 謝晶.《高頻電子線路》課程教學改革的研究與探索 [J].教育教學論壇，2016（5）：62-63.

作者簡介：李瑜慶（1985—），男，漢族，河南周口人，講師，碩士研究生，研究方向：光纖光柵傳感、測控技術。

收稿日期：2022-02-06

基金項目：安徽省教育廳一般教學研究項目（2017jyxm0552，2019jyxm0477）;教育部協同育人項目（202102371035）;大學生創新創業訓練項目（S202011305014）