摘 要:針對傳統(tǒng)高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提出在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Multisim進(jìn)行輔助分析與設(shè)計(jì)。利用Multisim對高頻電路中的典型電路振幅調(diào)制及解調(diào)、丙類功率放大器進(jìn)行了仿真研究，其各項(xiàng)結(jié)果與理論一致，且可以很方便地改變元件或電路中參數(shù)，觀察不同條件下電路的工作情況。將虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來，能更好地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和探索精神。

關(guān)鍵詞:Multisim; 高頻電子線路; 振幅調(diào)制; 丙類功放

中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0048-03

Application of Multisim in High Frequency Circuit Experiment

ZHANG Ning， XIN Xiu-fang

(Department of Physics and Information Engineering， Shangqiu Normal University， Shangqiu 476000， China)

Abstract: The Multisim simulation tool is introduced in experimental teaching for assisted analysis and design to solve the problems existed in traditional high frequency circuit experiment. The class-C high-frequency resonance power amplifier， amplitude modulation and demodulation are simulated by Multisim， which are typical circuits of high frequency circuit. All of the results are identical with the theory， and it is convenient to change the parameters and component of circuit， as well as observe the working flow of circuit in different conditions. The virtual experiment is integrated with traditional experiment， what can improve the students′ operational and groping ability.

Keywords: Multisim; high frequency circuit; amplitude modulation; class-C power amplifier

0 引 言

高頻電路在通信系統(tǒng)和設(shè)備中占有重要的地位，是電子信息工程專業(yè)的必修課，是理論和技術(shù)性都很強(qiáng)的一門課程。高頻電路實(shí)驗(yàn)是對專業(yè)理論學(xué)習(xí)的補(bǔ)充、延伸、鞏固和提高。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到加深理解所學(xué)的理論知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際、分析與處理實(shí)際問題的能力。但是高頻實(shí)驗(yàn)中存在著一個(gè)最大的問題就是實(shí)驗(yàn)不好做，由于實(shí)驗(yàn)對儀器精度要求高，高頻電路易受外界的干擾，分布電容、分布電感的存在對實(shí)驗(yàn)電路影響大，實(shí)驗(yàn)調(diào)試難等導(dǎo)致了大多數(shù)學(xué)生都沒有耐心和信心去完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而使得最后的實(shí)驗(yàn)效果不理想[1]。Multisim 2001是當(dāng)今世界上著名的電路仿真標(biāo)準(zhǔn)工具之一，由于它輸入信號的幅度、頻率和相位都可以控制到精確數(shù)值，實(shí)驗(yàn)頻率可以很高，用數(shù)字儀器儀表測量，提高了實(shí)驗(yàn)精確度，改善了實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。它還為分析與設(shè)計(jì)電路提供了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真工具。因此，利用它對高頻電路進(jìn)行仿真分析，不僅方便、經(jīng)濟(jì)，而且省時(shí)、高效，具有很高的實(shí)用價(jià)值。文章將結(jié)合高頻實(shí)驗(yàn)的典型電路為例闡述Multisim 2001在高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 Multisim 2001的主要功能和特點(diǎn)

Multisim是Interactive Image Technologies(Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，該軟件提供了具有多種測試儀器、元器件品種齊全的虛擬電子工作平臺，由此擺脫了實(shí)驗(yàn)室條件的限制。通過計(jì)算機(jī)用該軟件對學(xué)生進(jìn)行有關(guān)虛擬測試儀器使用、電路設(shè)計(jì)與仿真、性能分析、時(shí)序測試等訓(xùn)練，具有豐富的仿真分析能力。

作為虛擬的電子工作平臺，Multisim 2001提供了較為詳細(xì)的電路分析方法，包括電路的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、離散傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、靈敏度分析、溫度掃描分析、零/極點(diǎn)分析、傳遞函數(shù)分析、最壞情況分析、蒙特卡羅分析、批處理分析、用戶自定義分析和射頻電路分析等。Multisim 2001既可對模擬或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡妫€具有射頻電路的仿真功能，特別是先進(jìn)的高頻仿真和設(shè)計(jì)功能是目前眾多通用電路仿真軟件所不具備的[2]。

2 Multisim 2001用于高頻電路實(shí)驗(yàn)仿真

Multisim 2001軟件進(jìn)行仿真分析的基本步驟為:根據(jù)原理和設(shè)計(jì)需要，創(chuàng)建仿真電原理圖，然后根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置好電路圖選項(xiàng)，設(shè)定仿真分析方法，打開仿真開關(guān)，運(yùn)行所設(shè)計(jì)好的電路，借助仿真儀器，即可得到所需仿真結(jié)果，同時(shí)結(jié)果還可以輸出為文件和數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理[3-6]。

2.1 丙類功率放大器的仿真研究

進(jìn)入Multisim 2001工作窗口繪制電路。諧振回路作為晶體管的負(fù)載，其諧振頻率為信號源的頻率對晶體管集電極電流進(jìn)行選頻濾波。為晶體管提供基極的負(fù)偏置電壓，使放大器工作于丙類狀態(tài)，直流電源提供直流能量。丙類功率放大器的作用原理都是利用輸入到基極的信號，來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鯷7-8]。

2.1.1 集電極電流的仿真

為了研究集電極的電流，用10 kΩ的電阻作為晶體管的負(fù)載，信號源頻率改為1 kHz，由于負(fù)載為純電阻則負(fù)載上電壓的波形與電流波形的形狀是一致的，接入oscilloscope觀察其輸出端電壓的波形。

當(dāng)信號源幅值較小時(shí)晶體管工作于欠壓狀態(tài)或者臨界，其集電極電流如圖1(a)所示尖頂脈沖。該尖頂脈沖為與輸入信號周期相同的周期信號，其半導(dǎo)通角小于90°。當(dāng)信號源幅值較大時(shí)晶體管工作于過壓狀態(tài)，其集電極電流為圖1(b)所示的凹頂脈沖。該凹頂脈沖同樣是為與輸入信號周期相同的周期信號，半導(dǎo)通角也小于90°，但是比欠壓狀態(tài)時(shí)導(dǎo)通角的大。在上述兩種情況下集電極電流包含很多諧波，與輸入信號相比失真很大，因此不能用于低頻率功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。

圖1 輸出端電壓波形

2.1.2 輸出電壓的分析

使并聯(lián)諧振回路諧振與基頻，那么它對于基頻呈很大的純電阻性阻抗，而對諧波的阻抗則很小，他們的值與諧振基頻之值相比可視為短路，因此，并聯(lián)諧振電路由于通過集電極電流所產(chǎn)生的電位降幾乎只含有基頻。這樣集電極電流的失真雖然很大，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能夠得到正弦波的輸出，如圖2所示。回路的這種濾波作用可從能量的觀點(diǎn)解釋?；芈肥怯蓛?chǔ)能元件L1，L2，C構(gòu)成的。在集電極電流通過的期間，回路儲(chǔ)存能量;而在電流截止的期間，回路釋放能量，這樣就維持了回路中振蕩電流的連續(xù)性[7]。

圖2 丙類功率放大器的輸出波形

2.1.3 功率以及集電極效率

為了研究輸出功率和集電極效率在電路中接入兩個(gè)瓦特計(jì)(Wattmeter)。在信號源為2 V時(shí)分別測量直流電壓源提供的功率和負(fù)載上所得到的功率分別為1.995 mW，1.539 mW。那么根據(jù)集電極效率的定義可得集電極效率為77.142 8%。

2.2 振幅調(diào)制與解調(diào)的仿真研究

振幅調(diào)制與解調(diào)電路如圖3所示。

圖3 振幅調(diào)制與解調(diào)電路

為了可以系統(tǒng)地掌握振幅調(diào)制與解調(diào)，建立如圖3所示電路圖。該電路包括振幅調(diào)制與解調(diào)部分。振幅調(diào)制部分利用調(diào)制信號的大小控制高頻載頻信號的振幅，使其隨調(diào)制信號波形的變化而呈線性變化，其他參數(shù)(頻率與相位)不變。解調(diào)部分從已調(diào)制的高頻振蕩中恢復(fù)出原來的調(diào)制信號。

前半部分為振幅調(diào)制電路。調(diào)制信號頻率為1 kHz，幅度為200 mV的小信號，載波頻率為100 kHz，幅度為1 V的大信號。非線性元件二極管D2的導(dǎo)通與截止完全由載波控制。經(jīng)過二極管后將產(chǎn)生一系列的頻率分量。L1與C1構(gòu)成一帶通濾波器其中心頻率為載波頻率，從二極管所產(chǎn)生的一系列的頻率分量中取出所需要的100 kHz，101 kHz，99 kHz頻率分量即調(diào)幅波的成分，其波形如圖4所示。由于調(diào)制信號為正弦波則其調(diào)幅度為:



ma =1/2(Vmax-Vmin)V0=1/2(Vmax-Vmin)1/2(Vmax+Vmin)=

1/2(732.9-459.2)1/2(732.9+459.2)=0.236



利用頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)可以觀察到調(diào)幅波的頻譜如圖5所示。從圖5可以看出調(diào)幅波中含有100 kHz，101 kHz，99 kHz三個(gè)頻率分量，這與理論相符合。對于該單音頻調(diào)制信號的調(diào)幅波其帶寬為2 Ω即2 kHz。

圖4 調(diào)幅波波形

圖5 調(diào)幅波的頻譜

合適地設(shè)定解調(diào)電路的原件參數(shù)后進(jìn)行仿真得到如圖6所示的波形。從圖6可以看出檢波器的輸出為波動(dòng)很小的鋸齒波，與高頻調(diào)幅波的包絡(luò)基本一致。

圖6 包絡(luò)檢波器的輸出波形

3 結(jié) 語

用仿真軟件Multisim 2001對單調(diào)諧回路諧振放 大器和振幅調(diào)制與解調(diào)電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示與理論基本相同，學(xué)生通過仿真，可對該單元電路有初步認(rèn)識。學(xué)生在仿真調(diào)試的界面上，可以很方便地改變元件或電路中參數(shù)，觀察不同條件下電路的工作情況[9]。實(shí)驗(yàn)仿真軟件用到的元器件與儀器都是理想的，而實(shí)際的元器件都存在一定的誤差，其參數(shù)也不可能是理想的值，實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果跟實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)總會(huì)存在一定的差異[10]。因此，將虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來，能更好地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和探索精神。

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