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摘要:本文設計了一種關于電磁波幅度調制與解調的物理教學實驗裝置，采用正弦波振蕩器產生調制信號，利用多組開關和可調電阻形成陣列，模擬電子琴產生音樂聲，解調部分經過檢波放大并驅動揚聲器發聲。利用該裝置配合低成本的信號源和天線，在物理課程的電磁學實驗教學中使用，有利于學生學習電磁波調制和解調的工作原理，理解信號變換的全部過程，使實驗具有良好的趣味性。

關鍵詞:調制與解調；物理教學；實驗裝置；電子琴；趣味性

在物理學課程教學內容中，一些教學知識點理論比較抽象，教師若在結合教學實際基礎上，充分理解學生好奇心和求知欲，適當開展趣味性實驗，能激發學生的探究式學習熱情，獲得意想不到的教學效果。[1]電磁波調制與解調是物理學重要知識點之一，開展實驗需要用到示波器和信號發生器等貴重儀器，很多學校受經濟條件所限，只能以低成本方案開設實驗，而放棄了知識的完整性。[2-3]利用虛擬儀器也是節約實驗成本的方法之一，[4-5]另一類方法是開設演示實驗，[6-7]但這些方法使學生失去了動手體驗的機會。本實驗裝置可以實現電磁波幅度調制和解調，既解決了實驗開設的成本問題，又使學生在實驗中體驗到音樂信息傳遞的完整過程，保證了物理實驗的知識性和趣味性。

1音頻信號的產生與發射

電磁波作為載波發射，是為了搭載和傳遞信息，將聲音或圖像信息調制在高頻等幅電磁波上發射出去，常用的調制方法有調頻和調幅。這里主要介紹音頻信號通過載波調幅發射的實現方法。

1.1音頻信號發生器

幅度調制部分的音頻正弦波產生電路如圖1，其主體部分是由電阻、電容元件構成選頻網絡的正反饋放大器，也稱為RC振蕩器，用來產生30Hz-3000Hz的音頻信號。可調電位器Wn串聯開關Kn形成多個調節支路，通過設置和調節每個支路的Wn值，改變各通路開關Kn閉合時的振蕩頻率，可產生一組共n個音頻振蕩頻率輸出，提供給幅度調制電路作為調制信號。

1.2幅度調制器

調幅發射部分的實驗框圖如圖2所示，使用易于購買的低成本射頻信號源產生載波，[8]信號源的發射功率可達10mW，頻率設置為1GHz左右，發射天線選用符合頻率要求的普通天線。在信號源與發射天線之間插入信號調制器，獲得受音頻調制的載波幅度調制信號，并通過天線變成電磁波發射出去。信號調制器是實驗裝置的核心部分，利用音頻信號發生器振蕩，產生范圍在30~3000Hz可調的音頻調制信號，控制PIN二極管的正向電阻，形成幅度調制作用。普通二極管是由N型和P型雜質摻雜的半導體材料直接構成PN結，而PIN二極管是在N型和P型半導體材料之間加了一層薄的低摻雜本征半導體層。PIN二極管有多種不同偏置方式，分別呈現不同工作狀態。在正向偏置方式時，即PIN二極管加正向電壓時，P區和N區的多數載流子會注入到I區并復合。電流I達到平衡狀態時注入載流子和復合載流子相等，本征半導體層因積累大量載流子而電阻下降，即PIN管正向偏置時呈低阻狀態。正向偏置電壓越高，注入I層的電流越大，載流子越多，其電阻越小，等效為一個0.1~10之間小電阻。由于PIN管偏置電壓大小與電阻具有相關性，可以作為射頻開關和衰減器使用。作為射頻開關使用時，當二極管正偏則射頻接通，當二極管零偏或反偏則射頻斷開。作為串聯射頻衰減器使用時，二極管正向偏置電壓的不同大小，對應為不同射頻衰減量。因此，將音頻信號引入作為正偏電壓，可以實現電磁波幅度調制。

2音頻信號的接收與解調

搭載有音頻信號的電磁波載波，可以實現遠距離信息傳播。到達用戶端后，通過天線接收射頻電磁波，并通過解調電路還原出音頻信號。

2.1接收與檢波電路

在電磁波接收部分，接收天線將電磁波變為高頻電流，進入檢波二極管接收電路。檢波接收電路如圖3所示，為提高檢波效率并獲得盡量多的有用信號，應選擇與載波頻率適合的檢波二極管。搭載信息的高頻載波信號經天線接收后，輸入檢波二極管D，因為二極管的單向導通特性，正向信號得以通過，反向信號被二極管阻隔。通過二極管的信號，再經過容量較大的電解電容C的旁路作用，濾除正向信號中的剩余載波，輸出只包含音頻信息成分的信號。

2.2音頻放大電路

檢波二極管輸出的音頻信號幅度微弱，不足以推動揚聲器發聲，甚至不能使功耗較小的耳機發聲。為實驗方便，采用了音頻放大電路提升音頻功率，直接驅動揚聲器。放大電路如圖4所示，使用音頻集成功放電路LM386作為放大器，電位器W用以調節從檢波二極管輸出進入放大器的音頻信號大小，從而達到控制揚聲器音量的目的。調制信號的頻率處于人耳聽覺頻率范圍，聲音尖銳或低沉直接反映調制信號的頻率，聲音的大小還可以反映調制信號的幅度等參數。當然，也可以用示波器監測音頻信號，能準確測量出更多調制參數。

3趣味性實驗設計本實驗要求

學生預先設置音頻信號發生器各個開關支路的音調頻率，通過連續按動琴鍵開關變換音調，模擬電子琴演奏出簡短音樂聲。如表1所示，為以國際標準音A-la-440Hz為準的七個音的頻率。實驗教師利用圖1正弦波振蕩器的開放接口，將電位器的調整功能引出。學生用面包板制作電子琴，每個標準音對應一組可調電位器Wn和琴鍵開關Kn，形成至少七個標準音，其中琴鍵開關用回形針或鈹青銅片制作，每一路開關串聯一個電位器，調節各支路電位器的阻值，用圖4的音頻檢測電路接收音樂聲，使喇叭中產生表1的頻率（可以配備價格低廉的樂器調音器以測量頻率）。然后，通過電子琴演奏出規定的簡單樂曲聲音，如要求演奏：123112313453455654315654312。

4結束語

將電子琴電路產生的音樂聲調制到高頻載波上，再通過電磁波發射和接收解調，還原出音樂聲。按此實驗方法開展電磁波調制解調實驗，實驗裝置對幅度調制和解調的原理表達非常清晰，用聲音表達的實驗現象特別明顯，通過電磁波收發并成功傳遞樂曲聲的過程富有趣味性，對學生學習和認知物理學知識十分有效。同時，利用成本低廉的器材制作音頻調制器和檢波放大裝置，可以代替昂貴的信號發生器、示波器等儀器，降低了物理實驗開設的門檻，有利于實驗教學的推廣和普及。

參考文獻

[1]王佩祥,喻秋山,黃志洋,等.偏振光實驗系統的趣味性改進[J].物理實驗,2016.36(2):37-41.

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[3]謝桂英.自制低成本教具,提高初中物理演示實驗教學的有效性[J].物理實驗,2014.34(4):11-14.

[4]王學嚴,張茹,張虎,等.大學物理虛擬實驗一體化設計與實例[J].實驗技術與管理,2016.32(9):124-127.

[5]張秀敏.仿真實驗室在初中物理虛擬實驗中的應用[J].中國教育技術裝備,2015.22(11):158-159.

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[8]薛軍,潘高峰,謝勇.基于ADF4350的多頻段信號源的設計與實現[J].無線電工程,2011.41(11):53-55.

作者：楊心妍 單位：成都七中八一學校