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摘要
本文對目前在電子電氣通信專業的課程高頻電子線路實驗提出了改進思路，針對目前在實驗中采用軟件仿真代替搭建實驗電路的流行做法，提出了商榷。本文建議在低年級短學期階段讓學生接觸電路板制作、高頻防電磁干擾設計準則，通過制作通用高頻電路板并調試高頻電路，接觸高頻電路設計，激發學生今后學習電路的興趣，培養電路調試能力，縮短未來高頻電路實驗需要的時間，在高頻實驗中將軟件仿真和電路搭建調試結合，用軟件仿真驗證理論知識，用搭建電路實現功能。
關鍵詞
電子線路；實驗；仿真；電路搭建
1前言
高頻電子線路課程，又稱通信電子線路，是高校電子、電氣、通信專業的必修課程，由于該課程工程實踐性較強，通常必須配有相應的實驗課程。通過調查目前國內高校針對該課程相應的實驗課程設計，我們發現目前該課程理論階段一般設置課時為36-64學時，而相應的實驗通常有10-24課時。高頻電路類似于樂高積木，即其每個部分基本功能實現都具有固定的經典電路，整體電路設計需要根據電路參數計算，在每個功能部分從幾個經典電路中選擇合適的一個即可，這樣多個基本功能電路采用樂高積木般組合搭建而成最終電路，這點與低頻電路不同，低頻電路很多時候需要自己設計，而高頻主要還是“搭積木”。這樣看似乎該課程實驗很簡單，其實不然，在很多側重理工的大學（通常這類大學對該課程要求更高、賦予更多課時），該課程和對應的實驗課均被稱為“殺手課程”，很多學生提起來都頭疼。高頻電路實驗主要是對教授的經典電路進行驗證，因此設計部分不是難點，實驗的難點在于如何成功調試電路。在實際實驗中常常會出現設計驗證成功，但電路不成功的情況，比如高頻振蕩電路無論如何都無法起振、功率放大電路輸出信號嚴重失真等現象，這源于高頻電路中電磁干擾很嚴重，為消除電磁干擾對走線的粗細、走線的拐角、電源線的布設位置、接地處理、哪里需要添加去耦合電容、去耦合電容的容值選取多大等等均需要經驗，因此有種說法：“能設計開發模擬高頻電路的工程師如同老中醫，越老越珍貴。”而這些知識理論上很容易，遠比高頻電路設計計算容易理解，但實際應用時頗有“大音希聲，大象無形”的感慨———飄渺難以把握的感覺，調試相同的2個PCB版，一個很容易就調通了，另一個無論如何效果不好。
2當前實驗課程設計現狀及問題
正是為了避免高頻電路設計容易、調試難的這個特點，當前很多學校在高頻電路實驗中普遍采用兩種方式：（1）軟件仿真，目前常用的實驗仿真軟件有Candence中的pSpice，NI公司的multisim，其中multisim在目前高校應用是最廣泛的；（2）使用現成的調試好的實驗板/箱，同學只需要改變電路中某個器件的參數，然后通過使用濾波器測試輸出變化即可。在我們調研中發現以上兩種方式目前前者約占60%出頭，并且近幾年來有越來越受歡迎的趨勢，后者約占40%。無論采用以上哪種方式進行實驗，均避開了電路調試這個環節，的確電路調試時間遠大于設計所花費時間，并且可能最終電路還調試不好，而以上兩種方式只有做實驗快慢的問題，絕不會出現實驗做不出的問題，老師減少了工作強度，學生能完成實驗，大家皆大歡喜。我校高頻電子線路實驗以上兩種方式都采用，我們對以上兩種實驗方式的反思來自于本校近幾年畢業生的反饋，很多在學校動手能力較強、成績比較好的學生反映，在實際工作中進行電路設計和調試，設計還比較簡單，如何選擇器件參數也會計算，但當PCB板做好需要調試時若電路出現問題，根本就不知所措，沒有任何頭緒，不知道從哪里開始排查，單位里老工程師問是否大學里做過實驗？答曰做過，軟件仿真直接在實驗板上測試的。他們反饋希望在大學學習階段盡早接觸實際電路設計調試。我們認為仿真軟件代替實驗，固然可以使得實驗變得簡單，學生能夠用鼠標鍵盤改變電路中某個元件的參數，輕而易舉地測得某個位置參數變化對輸出的影響，對所學理論有直觀感性的認識，但親手搭建實驗電路也是必不可少的。因此目前對高頻電路的設計實驗，還是應該以軟件仿真、實驗板測試和實際電路設計調試相結合，不可簡單用一個代替另一個。但做高頻實際電路，需要的時間很長，不可控因素較多，而大學高頻電路實驗課程一般有10-24學時，有的學校甚至少至只有6學時，在如此少的時間內面對復雜電磁干擾下的電路，能調試成功電路的難度還是相當大，如果學生經過很長時間不能完成電路，他們就會感到沮喪，徹底喪失了學習的興趣。
3實驗改革思路
為了保證實驗能達到驗證電路設計理論、調試電路的目的，同時在此前提下將任務簡單化，筆者提出了高頻電路系列實驗的改革方案，即“從娃娃抓起”，將該實驗分兩個分階段完成，從大學一年級就逐步開始實施。改革的基本思路是將該實驗進行分解，其中某些分解的部分與其他課程實驗、實習、短學期相結合，并將這些結合后的實驗結果用于后續的高頻電路實驗中，相當于拉長了該課程的實際實驗學時，具體思路為將整個高頻電路實驗分為兩個階段：第一階段為第二學期的短學期電子線路實習階段，在此階段完成部分高頻電路實驗內容；第二階段為第六學期的高頻電路實驗階段，在此階段完成高頻電路具體功能實現的調試和學習。
3.1第一階段改革方案
首先由高頻電路實驗教師設計一個通用的高頻電路實驗版，在這個實驗版上可以完成目前高頻電路實驗課程需要的所有實驗。這步由高頻電子線路實驗課老師和理論課教師合作商討完成，無需學生參與。教師將該通用板的原理圖和PCB圖交給負責一年級暑假電子線路實習的老師，通常電子、通信、電氣專業在一年級暑假會有電子線路短學期實習，這時候學生們實際上還沒有接觸電路設計的任何理論知識，以往短學期實習是讓他們學習使用制電路圖軟件，并最終做出實際電路，而電路多來自于在這之后的二年級低頻電子線路課程，改革后將短學期實習內容略做修改：學習使用制版圖的軟件，學習高頻防電磁干擾的基本設計理念，根據老師給出的原理圖畫出PCB圖。由于此時的學生既沒有電路基本知識也無調試電路板的經驗，僅有在步驟（2）中學習到的一些理論，在此情況下他們畫出的PCB圖必然和能實際應用的PCB圖有很大差異，因此需要短學期指導教師的糾錯：在同學上交自己的PCB圖后，短學期指導老師將高頻電路實驗老師設計的PCB圖發給每個同學，同學自己比較兩個PCB設計的差異，對照在步驟（2）中高頻設計基本理念，分析自己的設計與老師給出的設計中有哪些不同？這些差異中哪些是無關緊要的？哪些部分是違背了高頻設計基本理念的？寫出總結報告，并根據參考圖修改自己的通用電路板的PCB圖，在此過程中有任何疑問可以與短學期指導老師和高頻電子線路實驗老師商榷，最終完成制版。電路焊接練習：當通用PCB版制成后，由高頻電路實驗老師給出高頻電路中的幾個常用電路（每個電路是PCB的一部分），由學生自行選擇哪個電路（或者說PCB板哪個部分）進行焊接練習?？紤]到此時的同學們沒有電路分析知識，這里我們推薦選擇高頻振蕩電路或者高頻小信號放大電路，因為這兩個電路調試相對簡單，每個同學任選一個作為焊接電路，將分體元件焊接在PCB板上，分體元件由短學期指導老師統一采購分發給同學們。此過程沒有改變電路實習短學期的教學目的———訓練學生焊接電路，電路所使用的器件、各個器件參數均由高頻電路實驗老師指定，學生僅在此過程中練習焊接技術。短學期實習階段的電路調試，此電路調試不同于高頻電路實驗課的調試，在此階段同學們主要檢查電路是否虛焊，有無短路等問題（這些問題必須在短學期解決），學會使用各種測量儀器，具體電路效果的調試需要應用電路理論知識解決問題，此階段同學們還不具備條件，如果前面的調試都順利完成，則老師可以指導學生完成進一步的簡單效果測試。電路調試過程中，不僅負責電路實習的老師在場，高頻電子線路實驗老師也要在場，幫助帶領同學們解決遇到的問題。由于短學期實習時間較長，并且時間集中，相比于高年級的實驗課時時間上充裕了很多，通過電路調試中解決問題的過程，同學們學會了示波器等測試儀器的使用方法，由于電路原理對于一年級的同學還是沒有概念的，因此每一步驟的調試都要在老師指導下進行，比如測量輸入信號后測試三極管輸出，三極管的輸出放大信號應該是輸入信號的多少倍，老師必須告訴同學倍數的范圍在多少以內是合理的，諸如此類。對應高頻電磁干擾的問題，老師不能直接告訴學生如何處理，而要求學生自己通過上網查資料的方式找答案，這部分知識對理論要求不高，所以學生即使沒有學過電路知識也可以理解，再經過一段學生自己找資料解決問題的階段后，高頻電路實驗老師幫助學生一起解決電磁干擾的問題。通過一年級的短學期經歷，激發同學們對電路設計的興趣，而興趣往往是最好的老師，引導他們在二年級時學習低頻電路有好奇心，學習的主觀能動性更強，學習效果更好。低頻電路是高頻電路的基礎課程，只有低頻電路學好了，高頻電路才有可能學好，所以適當調整一年級短學期實習內容，可以為后續課程打下良好的基礎。另外，通過短學期的學習，學生有充裕的時間調試電路板，學習高頻防止電磁干擾的方法等，這樣可以提高在高頻電路實驗中的效率，減少調試電路所花費的時間。
3.2第二階段改革方案
我們建議在高頻電路實驗中將軟件仿真與硬件電路調試結合，進行實驗設計，比如在經典高頻功率放大器電路實驗中，先用軟件仿真電路，通過更改負載值、基極電壓，調整分壓值，更改輸入電源電壓等，在軟件中觀察輸出電壓、電流的變化，并畫出對應曲線，將該曲線與理論曲線相比較，驗證理論，正如前面所述，這樣實驗花費時間較少，難度低，學生都能做出來，不會有挫敗感進而喪失學習的興趣。然后固定各部分參數值，讓學生使用他們自己一年級短學期制作的分離元件搭建高頻功率放大電路，進行功能調試，即用焊接好的電路板達到設計功能要求，由于已經在一年級處理過電磁干擾的問題了，此時工作量大為減少，他們面對新的高頻電路無法工作時，惶恐感沒那么強烈，多少還是有些經驗的，加上實驗老師的輔導協同幫助，絕大部分同學有能力在規定時間內解決問題。然后我們采用反向設計法進行實驗：在現成的實驗箱中任選一功能模塊，這些模塊都是二層電路板設計，對這個功能首先學生進行電路設計，為加快時間只需完成原理圖設計即可，然后學生被要求畫出試驗箱中該模塊的電路，比較自己設計的電路與實際電路之間的異同，分析為什么會出現這些差異？這些差異哪些是允許的、無關緊要的，哪些是由于設計不當引發而必須改正的，寫出分析報告。通過反向設計，同學們能體會到理論和實踐的差異，在今后的工作中不可掉以輕心，多思考，積累經驗。
4總結
我們三年前進行高頻電子線路課程改革，在改革的第一年在一年級同學短學期期間也要求二年級同學一道參與制作PCB板、焊接元器件，到了三年級下學期這些同學學習高頻電路時，他們已經迫不及待要驗證自己以往的勞動成果了，調試電路時主動性大大增強，幾乎沒有人像以往那樣什么問題都等老師來解決，很多同學自發組成討論組，自己上網查資料，基本能做到獨立調試好電路，相比用軟件仿真和用實驗板，教師在該課程實驗階段的工作量會有些增加，同學們在規定學時內完成實驗電路調試也是可行的，教師和學生的壓力均在可承受范圍內，但實際能力得到了更多的鍛煉。
作者：侯俊 陳文 單位：上海理工大學光電信息與計算機工程學院 上海應用技術學院
參考文獻
[1]楊雪.大學生實踐能力培養模式研究[J].科教文匯,2015(12):48-49.
[2]陳耿彪,黃浩銘.基于載體、技術與分組三維交互的本科實驗教學[J].教學研究,2014(6):101-103.
[3]劉穎,王向軍,單潮龍,劉德紅.虛擬和實際相結合的電路實驗考核方法探索[J].實驗室研究與探索,2013(11):290-292.
[4]張建紅,賀林.電路實驗考核創新研究與實踐[J].創新體系建設,2013(10):244.
[5]劉小艷,金平“.電子電路與系統基礎實驗”教學改革與實踐[J].實驗教學與創新,2014(6):197-199.
[6]蔡水明.淺談高等數學課堂教學的幾點認識[J].科教文匯,2015(12):39-40.
