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鎖相技術(shù)課程的教學(xué)改革與實踐
鎖相技術(shù)課程的教學(xué)改革與實踐沈文麗 佘燕平 林麗莉
�。ㄕ憬ど檀髮W(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、抽象概念多、教學(xué)難度大、內(nèi)容更新速度快。為了開拓學(xué)生的視野、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，針對教學(xué)中存在的問題，從改進教學(xué)課件、增加實驗課程以及采用Matlab軟件等方面來探索如何提高課堂教學(xué)效果。實踐表明，通過以上教學(xué)方法的改革，教學(xué)質(zhì)量得到了提高，教學(xué)實踐取得了良好的效果。
[關(guān)鍵詞] 鎖相技術(shù)；教學(xué)課件；實驗課程；Matlab軟件
[中圖分類號]G642.O
[文獻標(biāo)識碼] A
[文章編號] 1005-4634 （2012） 06-0080-02
0 引言
鎖相技術(shù)課程是我國高校信息與電子工程學(xué)科一門工程性和綜合性都很強的專業(yè)基礎(chǔ)課。因此對學(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，往往達不到很好的效果。聶翔等人通過針對鎖相技術(shù)課程采用雙語教學(xué)的方法，對如何在高等工程教育中融入雙語授課、并提高雙語教學(xué)效果進行了有益探討。孫嬌燕將計算機引入鎖相技術(shù)課程的教學(xué)中，用計算機來模擬鎖相環(huán)路的捕捉過程和對其進行穩(wěn)定性分析。浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院采用更加生動形象的PPT課件、Mat-lab應(yīng)用軟件、虛實結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ降榷喾N輔助教學(xué)手段來改革傳統(tǒng)的教學(xué)思路，使學(xué)生對鎖相技術(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。實踐證明，通過以上三種教學(xué)方法的改進，取得了一定的教學(xué)效果。因此，筆者將對改進教學(xué)課件、采用實驗?zāi)Ｊ胶蚆at-lab應(yīng)用軟件的教學(xué)方法作詳細的介紹。
1 改進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)過多，需要學(xué)生具有扎實的數(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動畫、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，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)，必須詳細講解。
一階鎖相環(huán)路的瞬時頻差與瞬時相差直接的關(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)為水平線與一個幅度等于K的正弦曲線之差的曲線。當(dāng)△w。<K時，該曲線應(yīng)與橫軸相交。圖形如圖1所示。
可采用動畫功能，動態(tài)地給出曲線上各點的運動軌跡。相位軌跡與Oe（t）軸有很多交點，每一個2兀周期內(nèi)有兩個交點A與B。交點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點是穩(wěn)定平衡點，狀態(tài)偏離A點之后，會按箭頭所示的方向朝A運動，最終仍穩(wěn)定在A點。B點則是不穩(wěn)定平衡點，若條件改變，使得環(huán)路狀態(tài)偏離B點，就會沿箭頭所示方向進一步偏離B點，最終穩(wěn)定到鄰近的溫度平衡點A，而不會再返回B點。通過動態(tài)地演示相位軌跡點的運動過程，使得學(xué)生直觀地了解當(dāng)△w。<K時一階環(huán)的捕獲過程，理解穩(wěn)定平衡點和不穩(wěn)定平衡點的異同。
2實驗輔助手段
在實驗課上，采用結(jié)合教學(xué)和實驗的需要而研制開發(fā)的綜合鎖相技術(shù)實驗箱，進行課堂輔助教學(xué)。本實驗箱應(yīng)用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)配置了直流穩(wěn)壓電源（±5V、0.5A;士12V、0.5A共4路，每路均有短路保護自動恢復(fù)功能）、正弦信號發(fā)生器（500Hz——30KHz）、8位數(shù)顯頻率計（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。通過實驗有利于學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和加深對原理的深刻理解。其主要實驗項目包括鎖相環(huán)單元實驗、移相器單元實驗、分頻器單元實驗、調(diào)頻器單元實驗、環(huán)路部件特性測試實驗、鎖相環(huán)靜態(tài)特性測試實驗、鎖相環(huán)應(yīng)用實驗一解調(diào)器實驗、鎖相環(huán)應(yīng)用實驗一頻率合成實驗等。
以數(shù)字頻率合成實驗為例，實驗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，個位電路置成“0001”狀態(tài)，或者不接入百位和十位的兩級程序分頻器，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輸入端第三引腳，這時，該電路就是一個基本鎖相環(huán)電路。此時，設(shè)壓控振蕩器產(chǎn)生頻率為fo的輸出信號經(jīng)程序分頻器后，得到頻率為f的比較信號，送至相位比較器的第3引腳端，這兩個信號在相位比較器2中進行比較。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，改變兩級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，會遇到很多純數(shù)學(xué)公式。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，除了看懂公式以及了解圖形大概所呈現(xiàn)的意思外，對兩者之間的聯(lián)系很難有更深的理解和認識，在理解和掌握過程中產(chǎn)生了知識的脫節(jié)。如果在教學(xué)過程中，采用Matlab工具作為輔助教學(xué)手段，要求學(xué)生自己動手運用Matlab軟件強大的圖形功能將理論公式轉(zhuǎn)化為更形象的圖形表述。通過這個過程，學(xué)生可以更好的理解公式所要表達的意思以及從圖形中可以進一步加快和加深對公式的理解和認識。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)中以采用無源比例積分濾波器的二階環(huán)為例，此時環(huán)路的開環(huán)頻率響應(yīng)為
對于無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個區(qū)間討論10倍頻程內(nèi)開環(huán)頻率響應(yīng)幅度的下降dB數(shù)。
4 結(jié)束語
利用改進教學(xué)課件、增加實驗課程和采用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，達到了預(yù)期的教學(xué)效果。
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