高校_模拟电子技术_课程教改探析_以高阶滤波器为例

中国电力教育

2010年第12期 总第163期

高校“模拟电子技术”课程教改探析

——以高阶滤波器为例

闫 闱

摘要：高校“模拟电子技术”是电子类专业的一门重要专业基础课，因各种原因导致该课程教学效果不佳，因此教学改革亟待深入。认为应当求真、务实、创新，并且以调整教学计划为起点、以更新知识为重心、以实验为突破口，真正抓出实效。

关键词：模拟电子技术；高阶滤波器；数电；模电

作者简介：闫闱（1988-），男，辽宁彰武人，南京信息工程大学电子与信息工程学院本科生，主要研究方向：模拟电子技术。（江苏 南京 210044）

“模拟电子技术”（以下简称“模电”）是高校电子类专业的一门重要专业基础课，尽管很多高校在教学做了一些尝试，但总的看来，未收到显效。许多学生认为该课理论难懂、知识不切实际、实验达不到预期效果，因而失去兴趣甚至感到“头疼”，可见模电教改亟待深入。为此，本文拟对此试作探析。

一、模电教改的思路

1.以调整教学计划为起点，从感性认识上升到理性认识目前很多高校在教学计划上将“数字电路”（以下简称“数电”）放在模电之后，这样虽然遵照了讲授知识的顺序，但并不符合学生接受知识的规律。数电是纯粹的组合逻辑电路问题，学生不需要深究每个元件的构成，比较浅显易懂，而且加法器、计数器等芯片在功用上给人以直观的印象。模电则不然，即使一个简单的二极管也涉及到费米能级、隧道击穿等近代物理学中比较艰深的知识，实验更需要有较丰富的经验才能得到与理论偏差较小的数据，这对刚刚接触电子的学生来说可谓百试不得其解；加上波特图、差分运算放大器等相对抽象的知识不能给学生一个感性认识，教学难度大为增加。如果能调整教学计划，让学生先从数电得到感性认识，了解电子的应用领域，然后再通过学习模电深入理解具体器件的工作原理，合乎从感性认识上升到理性认识的规律，会收到事半功倍的效果。

2.以更新知识为重心，增加新颖性和可用性

电子学本是一门走在科技前沿的学问，模电亦然。可是，现今不少模电教材仍停留在二三十年前的知识背景之下，一些作者将已被淘汰的元件称为“主流”，多数教师也据“本”而述，学生咀嚼过时的知识如食“鸡肋”，既不知能否用得上更不晓发展前景如何，这显然不适合时代的要求。以运算放大器为例，如果只介绍理想运算放大器模型，难免显得无趣且无用，若能结合AD603、LM7171、OP07这些具体的运算放大器讲讲它们在开关电源、信号发生器等领域的应用，就会给学生带来深入研究的动力。所以，要以更新知识为重心，做到与时代同步。具体说来，要做到“二新”：一是教材更新。编写教材，要恰当处理继承与创新的关系，弃糟粕取精华，并根据时代特点提出

新观点、介绍新成果，着重反映模电的前沿动态。二是讲授求新。如今教师多年不变的“传声筒”已不适用了，亟须不断“充电”、开拓“眼界”，捕捉本学科的最新知识，了解新需求、新争鸣、新设计，尤其是结合学生就业讲解有关职业、要求、途径，让学生品味新鲜、学得实在、用到好处。

3.以实验为突破口，提高动手能力

实验是提高学生动手能力的最佳途径。然而当前各高校模电实验流于形式的现象比较严重，普遍囿于教材，实验时只注重数据而不思考理论，只要求结果却不深究过程。应当既要尊重教材又要跳出教材，如果陷入教材的套路，则难以理解模电这个“黑盒子”里究竟有哪些元件以及如何工作、怎样确定参数的，结果必定兴趣索然且不利于发挥创造性思维。其实，最好的方法就是教师结合所学知识提出命题，由学生自己计算参数、搜集资料、设计电路、焊接调试，教师只需在旁指导并且不要学生发挥创造力。命题以开关电源、蜂鸣器奏乐盒、红外线报警器一类简单实用的项目为宜，既不超出学生的知识范畴，又有助于提高其解决实际问题的能力。此外，还要注重让学生自己进行分析问题、总结经验，完成有一定技术性和科学性的实验报告。

二、模电教改的具体方法——以高阶滤波器为例1.引入高阶滤波器的概念

首先，回顾一下低阶滤波器的内容，提出问题：将两个相同的一阶滤波器串联，所得的滤波器传递函数是否等于各自传递函数之积。接着，可以从计算上推导出结论，即频谱函数并不相同。但公式并不直观，不妨用MATLAB或者Multisim进行仿真得出波特图来进行比较，从而引入高阶滤波器的概念。

2.介绍典型的高阶无源滤波器

以Butterworth滤波器为例，对刚接触模电的学生来说，不应直接给出Butterworth传递函数这样抽象的概念，而是先使用Matlab进行仿真，这里给出一个阶数为10，截止频率为0.3的Butterworth滤波器代码如下：

d=fdesign.lowpass（'n，fc'，10，.3）design（d，'butter'）

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教学改革广角解，然后在此基础上介绍Chebyshev滤波器和椭圆滤波器。限于篇幅，这里不加赘述。

3.几种常见无源滤波器的性能比较

为了进一步理解几种无源滤波器的区别，有必要将图3所示几幅截图放在一起比较。

根据图3，提出问题，让学生们总结出如下规律：（1）Butterworth——最平的通频带、平坦的抑止频带、宽的过渡频带；（2）ChebyshevⅠ型——等纹波的通频带、平坦的抑止频带、适中的过渡频带；（3）ChebyshevⅡ型——平坦的通频带、等纹波的抑止频带、适中的过渡频带；（4）椭圆型——等纹波的通频带、等纹波的抑止频带、狭窄的过渡频带。

但是在同样的通带平滑度、过渡带宽和阻带衰减指标下，三种滤波器所需要的阶数为：（1）Butterworth 6阶；（2）

生成波特图如图1所示。

图1 Matlab仿真所得Butterworth滤波器波特图

Chebyshev 4阶；（3）椭圆 3阶。

可见，椭圆滤波器的效果虽然相对较差，但是其所需原件最少，成本最低。让学生明白在不同的设计条件下应根据实际最优先考虑来选择滤波器类型。

4.介绍高阶有源滤波器

在介绍有源滤波器之前，先让学生回顾运算放大器的知识，

通过波特图可以简洁明了地分析其通频带、过渡频带、抑止频带的特性，然后给出Butterworth传递函数：

最后利用Multisim软件仿真得到Butterworth无源滤波器的实际电路图，如图2所示。

可以更好地理解有源滤波器的结构与用途。理想滤波电路的频响在通带内具有一定幅值和线性相移，而阻带内幅值为零。需要强调的是，实际的滤波电路是达不到理想要求的，幅频和相频响应很难同时满足要求，因此必须根据需要寻求最佳近似理想特性。常用的高阶有源滤波器有Buttterworth、Chebyshev和Bessel三种。Buttterworth滤波电路的幅频响应在通带中

图2 Butterworth无源滤波器电路图模型

具有最平幅度特性，但从通带到阻带衰减较慢。Chebyshev滤波电路能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波。Bessel滤波电路着重于相频响应，其相移与频率基本成正比，即群时延基本

通过上面一系列图表和公式可以让学生对其有一个初步理

图3 几种无源滤波器的波特图比较

70教学改革广角是恒定的，可得失真较小的波形。

在介绍这部分知识时应注重与前面介绍的无源滤波器进行比较，特别是对不同阶数滤波器波特图曲线的分析，它是教学的重中之重。而低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器的概念与低阶滤波器并无本质差别，只需简单讲解，由学生自己领会。

5.无源滤波器与有源滤波器的性能比较

无源滤波器的优点：（1）结构简单；（2）成本低。

缺点：（1）带负载能力差；（2）无放大作用；（3）特性不理想，边沿不陡。

有源滤波器的优点：（1）不使用电感元件，体积小重量轻。（2）有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。（3）除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。

缺点：（1）不宜用于高频；（2）不宜在高电压、大电流情况下使用；（3）可靠性较差；（4）使用时需外接直流电源。

以上优缺点应在学生自己讨论并总结的前提下给出，这样有利于培养其自主思维和归纳能力，增强学习兴趣。如果在学生未能理解的情况下就强行灌输，就收不到预期效果。

6.高阶滤波器实验

如果条件允许，可以组织学生上机进行Multisim仿真，传递函数及电路图的生成可以使用Filter Solutions10.0，这是一个简易滤波器生成软件，可以从网上免费下载，设计出滤波器后根据实际电容、电感型号上交元器件清单，由实验室统一购买，焊接一个无源滤波器，并通过正弦波发生器（可以是自制文氏桥振荡电路）和示波器测试效果，观察幅值随频率的变化情况。

参考文献：

7.滤波器的发展前景简介

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在此基础上，还可以对数字滤波器作初步介绍，为数字信号处理的学习打下伏笔。数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置，其功能在于对输入离散信号的数字代码进行运算处理以达到改变信号频谱的目的。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。数字滤波器正在迅速地代替传统的由R、L、C元件和运算放大器组成的模块滤波器并日益成为DSP的一种主要处理环节，在信号处理方面应用极为广泛。常用的数字滤波器有FIR数字滤波器和IIR数字滤波器，可以通过FPGA、DSP设计实现。这些对学生有很好的现实指导意义，还可以引导对此感兴趣的学生深入钻研。

三、总结

总之，模电是一门重要而且充满乐趣与创造的课程。要走出目前的困境，必须在教改上求真、务实、创新。相信有领导的高度重视、教师的认真讲授、学生的积极配合，模电教改定能开辟一片新天地，为培养具有良好科学素质与专业技能的电子人才作出应有的贡献。

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[2]康华光,陈大钦,.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

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（责任编辑：刘辉）

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