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鎖相技術(shù)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐
鎖相技術(shù)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐沈文麗 佘燕平 林麗莉
（浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江杭州310018）
[摘要] 鎖相技術(shù)課程內(nèi)容理論性強(qiáng)、抽象概念多、教學(xué)難度大、內(nèi)容更新速度快。為了開(kāi)拓學(xué)生的視野、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，針對(duì)教學(xué)中存在的問(wèn)題，從改進(jìn)教學(xué)課件、增加實(shí)驗(yàn)課程以及采用Matlab軟件等方面來(lái)探索如何提高課堂教學(xué)效果。實(shí)踐表明，通過(guò)以上教學(xué)方法的改革，教學(xué)質(zhì)量得到了提高，教學(xué)實(shí)踐取得了良好的效果。
[關(guān)鍵詞] 鎖相技術(shù)；教學(xué)課件；實(shí)驗(yàn)課程；Matlab軟件
[中圖分類(lèi)號(hào)]G642.O
[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A
[文章編號(hào)] 1005-4634 （2012） 06-0080-02
0 引言
鎖相技術(shù)課程是我國(guó)高校信息與電子工程學(xué)科一門(mén)工程性和綜合性都很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。因此對(duì)學(xué)生的要求比其它課程高得多，僅靠傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性仍得不到最大程度的調(diào)動(dòng)，往往達(dá)不到很好的效果。聶翔等人通過(guò)針對(duì)鎖相技術(shù)課程采用雙語(yǔ)教學(xué)的方法，對(duì)如何在高等工程教育中融入雙語(yǔ)授課、并提高雙語(yǔ)教學(xué)效果進(jìn)行了有益探討。孫嬌燕將計(jì)算機(jī)引入鎖相技術(shù)課程的教學(xué)中，用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬鎖相環(huán)路的捕捉過(guò)程和對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院采用更加生動(dòng)形象的PPT課件、Mat-lab應(yīng)用軟件、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降榷喾N輔助教學(xué)手段來(lái)改革傳統(tǒng)的教學(xué)思路，使學(xué)生對(duì)鎖相技術(shù)的基本概念、性質(zhì)、方法等有更加透徹的理解，提高鎖相技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。實(shí)踐證明，通過(guò)以上三種教學(xué)方法的改進(jìn)，取得了一定的教學(xué)效果。因此，筆者將對(duì)改進(jìn)教學(xué)課件、采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶蚆at-lab應(yīng)用軟件的教學(xué)方法作詳細(xì)的介紹。
1 改進(jìn)PPT課件
鎖相技術(shù)課程內(nèi)容抽象，特別是鎖相環(huán)路的跟蹤性能、噪聲性能和捕獲性能內(nèi)容中，公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)多，需要學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底。PPT課件應(yīng)具備多樣化形式，除介紹基本的公式內(nèi)容外，還應(yīng)增加Flash動(dòng)畫(huà)、圖片、流媒體等形式，盡量將抽象的理論公式形象化。比如在介紹一階鎖相環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖內(nèi)容時(shí)，由于一階鎖相環(huán)路是最基本的環(huán)路，是掌握二階甚至更高階環(huán)路特性的基礎(chǔ)，必須詳細(xì)講解。
一階鎖相環(huán)路的瞬時(shí)頻差與瞬時(shí)相差直接的關(guān)系為
Oe（t）=△w。- Ksinθe（t）
根據(jù)上式在[θe（t），Oe（t）]平面內(nèi)作的圖是一條縱坐標(biāo)為水平線與一個(gè)幅度等于K的正弦曲線之差的曲線。當(dāng)△w。<K時(shí)，該曲線應(yīng)與橫軸相交。圖形如圖1所示。
可采用動(dòng)畫(huà)功能，動(dòng)態(tài)地給出曲線上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。相位軌跡與Oe（t）軸有很多交點(diǎn)，每一個(gè)2兀周期內(nèi)有兩個(gè)交點(diǎn)A與B。交點(diǎn)A、B相應(yīng)的狀態(tài)是頻差Oe（t）等于零、相差Oe（t）等于常數(shù)，這是環(huán)路的平衡狀態(tài)。其中A點(diǎn)是穩(wěn)定平衡點(diǎn)，狀態(tài)偏離A點(diǎn)之后，會(huì)按箭頭所示的方向朝A運(yùn)動(dòng)，最終仍穩(wěn)定在A點(diǎn)。B點(diǎn)則是不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，若條件改變，使得環(huán)路狀態(tài)偏離B點(diǎn)，就會(huì)沿箭頭所示方向進(jìn)一步偏離B點(diǎn)，最終穩(wěn)定到鄰近的溫度平衡點(diǎn)A，而不會(huì)再返回B點(diǎn)。通過(guò)動(dòng)態(tài)地演示相位軌跡點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，使得學(xué)生直觀地了解當(dāng)△w。<K時(shí)一階環(huán)的捕獲過(guò)程，理解穩(wěn)定平衡點(diǎn)和不穩(wěn)定平衡點(diǎn)的異同。
2實(shí)驗(yàn)輔助手段
在實(shí)驗(yàn)課上，采用結(jié)合教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的需要而研制開(kāi)發(fā)的綜合鎖相技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行課堂輔助教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置了直流穩(wěn)壓電源（±5V、0.5A;士12V、0.5A共4路，每路均有短路保護(hù)自動(dòng)恢復(fù)功能）、正弦信號(hào)發(fā)生器（500Hz——30KHz）、8位數(shù)顯頻率計(jì)（1Hz——lOMHz）、直流電壓表（范圍0——20V，分200mV、2V、20V三檔）、鎖相環(huán)模塊、移相器模塊、分頻器及調(diào)頻器模塊等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和加深對(duì)原理的深刻理解。其主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括鎖相環(huán)單元實(shí)驗(yàn)、移相器單元實(shí)驗(yàn)、分頻器單元實(shí)驗(yàn)、調(diào)頻器單元實(shí)驗(yàn)、環(huán)路部件特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、鎖相環(huán)靜態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、鎖相環(huán)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)一解調(diào)器實(shí)驗(yàn)、鎖相環(huán)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)一頻率合成實(shí)驗(yàn)等。
以數(shù)字頻率合成實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)主要目的是熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理，并掌握VCO壓控振蕩器的基本工作原理。其電路原理框圖如圖2所示。
使用時(shí)按所需分頻比Ⅳ預(yù)置好Sl、S2、S3的輸入數(shù)據(jù)。f0=N·fR。將程序分頻器的分頻比Ⅳ置成1，也就是把分頻器的百位、十位電路斷開(kāi)，個(gè)位電路置成“0001”狀態(tài)，或者不接入百位和十位的兩級(jí)程序分頻器，即把壓控振蕩器VCO的輸入端用導(dǎo)線直接連接到相位比較器的比較信號(hào)輸入端第三引腳，這時(shí)，該電路就是一個(gè)基本鎖相環(huán)電路。此時(shí)，設(shè)壓控振蕩器產(chǎn)生頻率為fo的輸出信號(hào)經(jīng)程序分頻器后，得到頻率為f的比較信號(hào)，送至相位比較器的第3引腳端，這兩個(gè)信號(hào)在相位比較器2中進(jìn)行比較。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，可得到：fr=fv；其中fv=fo /N；代入得fo=N·fR。由此可知，當(dāng)fR固定不變時(shí)，改變兩級(jí)程序分頻器的分頻比Ⅳ，VCO的振蕩頻率（也就是頻率合成器的輸出頻率）也得到相應(yīng)的改變。
3 Matlab軟件的應(yīng)用
將Matlab引入至鎖相技術(shù)的課堂教學(xué)中。在研究鎖相環(huán)路跟蹤性能時(shí)，會(huì)遇到很多純數(shù)學(xué)公式。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，除了看懂公式以及了解圖形大概所呈現(xiàn)的意思外，對(duì)兩者之間的聯(lián)系很難有更深的理解和認(rèn)識(shí)，在理解和掌握過(guò)程中產(chǎn)生了知識(shí)的脫節(jié)。如果在教學(xué)過(guò)程中，采用Matlab工具作為輔助教學(xué)手段，要求學(xué)生自己動(dòng)手運(yùn)用Matlab軟件強(qiáng)大的圖形功能將理論公式轉(zhuǎn)化為更形象的圖形表述。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，學(xué)生可以更好的理解公式所要表達(dá)的意思以及從圖形中可以進(jìn)一步加快和加深對(duì)公式的理解和認(rèn)識(shí)。將死記硬背公式的方式轉(zhuǎn)化為以理解公式和圖形為主的方法。減少學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的困難，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更形象具體，便于理解。
鎖相技術(shù)中以采用無(wú)源比例積分濾波器的二階環(huán)為例，此時(shí)環(huán)路的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)為
對(duì)于無(wú)源比例積分濾波器的二階鎖相環(huán)路，筆者選取t1>t2，所以分3個(gè)區(qū)間討論10倍頻程內(nèi)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)幅度的下降dB數(shù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
利用改進(jìn)教學(xué)課件、增加實(shí)驗(yàn)課程和采用Mat-lab軟件三種方法改革鎖相技術(shù)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式。實(shí)踐證明，三種方法相輔相成，一定程度地提高了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。
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