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锁相技术课程的教学改革与实践

时间:2013-1-15栏目:职教365体育投注网站

  锁相技术课程的教学改革与实践
  
  沈文丽 佘燕平 林丽莉
  
  (浙江工商大学信息与电子工程学院,浙江杭州310018)
  
  [摘要] 锁相技术课程内容理论性强、抽象概念多、教学难度大、内容更新速度快。为了开拓学生的视野、提高学生的学习兴趣,针对教学中存在的问题,从改进教学课件、增加实验课程以及采用Matlab软件等方面来探索如何提高课堂教学效果。实践表明,通过以上教学方法的改革,教学质量得到了提高,教学实践取得了良好的效果。
  
  [关键词] 锁相技术;教学课件;实验课程;Matlab软件
  
  [中图分类号]G642.O
  
  [文献标识码] A
  
  [文章编号] 1005-4634 (2012) 06-0080-02
  
  0 引言
  
  锁相技术课程是我国高校信息与电子工程学科一门工程性和综合性都很强的专业基础课。因此对学生的要求比其它课程高得多,仅靠传统的教学方法和手段,学生的学习积极性仍得不到最大程度的调动,往往达不到很好的效果。聂翔等人通过针对锁相技术课程采用双语教学的方法,对如何在高等工程教育中融入双语授课、并提高双语教学效果进行了有益探讨。孙娇燕将计算机引入锁相技术课程的教学中,用计算机来模拟锁相环路的捕捉过程和对其进行稳定性分析。浙江工商大学信息与电子工程学院采用更加生动形象的PPT课件、Mat-lab应用软件、虚实结合的实验模式等多种辅助教学手段来改革传统的教学思路,使学生对锁相技术的基本概念、性质、方法等有更加透彻的理解,提高锁相技术课程的教学质量。实践证明,通过以上三种教学方法的改进,取得了一定的教学效果。因此,笔者将对改进教学课件、采用实验模式和Mat-lab应用软件的教学方法作详细的介绍。
  
  1 改进PPT课件
  
  锁相技术课程内容抽象,特别是锁相环路的跟踪性能、噪声性能和捕获性能内容中,公式的数学推导过多,需要学生具有扎实的数学功底。PPT课件应具备多样化形式,除介绍基本的公式内容外,还应增加Flash动画、图片、流媒体等形式,尽量将抽象的理论公式形象化。比如在介绍一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁内容时,由于一阶锁相环路是最基本的环路,是掌握二阶甚至更高阶环路特性的基础,必须详细讲解。
  
  一阶锁相环路的瞬时频差与瞬时相差直接的关系为
  
  Oe(t)=△w。- Ksinθe(t)
  
  根据上式在[θe(t),Oe(t)]平面内作的图是一条纵坐标为水平线与一个幅度等于K的正弦曲线之差的曲线。当△w。<K时,该曲线应与横轴相交。图形如图1所示。
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  可采用动画功能,动态地给出曲线上各点的运动轨迹。相位轨迹与Oe(t)轴有很多交点,每一个2兀周期内有两个交点A与B。交点A、B相应的状态是频差Oe(t)等于零、相差Oe(t)等于常数,这是环路的平衡状态。其中A点是稳定平衡点,状态偏离A点之后,会按箭头所示的方向朝A运动,最终仍稳定在A点。B点则是不稳定平衡点,若条件改变,使得环路状态偏离B点,就会沿箭头所示方向进一步偏离B点,最终稳定到邻近的温度平衡点A,而不会再返回B点。通过动态地演示相位轨迹点的运动过程,使得学生直观地了解当△w。<K时一阶环的捕获过程,理解稳定平衡点和不稳定平衡点的异同。
  
  2实验辅助手段
  
  在实验课上,采用结合教学和实验的需要而研制开发的综合锁相技术实验箱,进行课堂辅助教学。本实验箱应用模块化设计,系统配置了直流稳压电源(±5V、0.5A;士12V、0.5A共4路,每路均有短路保护自动恢复功能)、正弦信号发生器(500Hz——30KHz)、8位数显频率计(1Hz——lOMHz)、直流电压表(范围0——20V,分200mV、2V、20V三档)、锁相环模块、移相器模块、分频器及调频器模块等。通过实验有利于学生动手能力的培养和加深对原理的深刻理解。其主要实验项目包括锁相环单元实验、移相器单元实验、分频器单元实验、调频器单元实验、环路部件特性测试实验、锁相环静态特性测试实验、锁相环应用实验一解调器实验、锁相环应用实验一频率合成实验等。
  
  以数字频率合成实验为例,实验主要目的是熟悉锁相式数字频率合成器的电路组成与工作原理,并掌握VCO压控振荡器的基本工作原理。其电路原理框图如图2所示。
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  使用时按所需分频比Ⅳ预置好Sl、S2、S3的输入数据。f0=N·fR。将程序分频器的分频比Ⅳ置成1,也就是把分频器的百位、十位电路断开,个位电路置成“0001”状态,或者不接入百位和十位的两级程序分频器,即把压控振荡器VCO的输入端用导线直接连接到相位比较器的比较信号输入端第三引脚,这时,该电路就是一个基本锁相环电路。此时,设压控振荡器产生频率为fo的输出信号经程序分频器后,得到频率为f的比较信号,送至相位比较器的第3引脚端,这两个信号在相位比较器2中进行比较。当锁相环锁定后,可得到:fr=fv;其中fv=fo /N;代入得fo=N·fR。由此可知,当fR固定不变时,改变两级程序分频器的分频比Ⅳ,VCO的振荡频率(也就是频率合成器的输出频率)也得到相应的改变。
  
  3 Matlab软件的应用
  
  将Matlab引入至锁相技术的课堂教学中。在研究锁相环路跟踪性能时,会遇到很多纯数学公式。学生在学习过程中,除了看懂公式以及了解图形大概所呈现的意思外,对两者之间的联系很难有更深的理解和认识,在理解和掌握过程中产生了知识的脱节。如果在教学过程中,采用Matlab工具作为辅助教学手段,要求学生自己动手运用Matlab软件强大的图形功能将理论公式转化为更形象的图形表述。通过这个过程,学生可以更好的理解公式所要表达的意思以及从图形中可以进一步加快和加深对公式的理解和认识。将死记硬背公式的方式转化为以理解公式和图形为主的方法。减少学生在学习过程中的困难,使学习内容更形象具体,便于理解。
  
  锁相技术中以采用无源比例积分滤波器的二阶环为例,此时环路的开环频率响应为
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  对于无源比例积分滤波器的二阶锁相环路,笔者选取t1>t2,所以分3个区间讨论10倍频程内开环频率响应幅度的下降dB数。
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  4 结束语
  
  利用改进教学课件、增加实验课程和采用Mat-lab软件三种方法改革锁相技术课程的传统教学方式。实践证明,三种方法相辅相成,一定程度地提高了教学质量,达到了预期的教学效果。
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