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        Multisim在應(yīng)用型本科高校高頻電子線路教學(xué)中的應(yīng)用

        2020-05-17 05:33:38王銀花
        關(guān)鍵詞:調(diào)幅諧振波形

        王銀花

        (銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院,安徽省銅陵市翠湖四路1335號 244000)

        高頻電子線路在無線通信領(lǐng)域中占有極其重要的地位,是電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信工程、測控技術(shù)與儀器等本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,也是一門工程性和實踐性很強(qiáng)的課程。當(dāng)今,隨著電子器件和計算機(jī)的飛速發(fā)展,電子仿真軟件也隨之發(fā)生著日新月異的變化,仿真軟件Multisim提供了一個極好的理解高頻電子線路理論知識的平臺。

        1 Multisim仿真軟件簡介

        Multisim是一個集電路設(shè)計、電路功能測試一體化的虛擬仿真軟件。學(xué)生可以用計算機(jī)軟件仿真方便地把學(xué)到的理論知識真實地再現(xiàn)出來。利用Multisim仿真軟件能很好地解決理論教學(xué)與實際動手實踐相脫節(jié)的問題。Multisim具以下方面特征[1]:(1)圖形界面直觀,軟件儀器的控制面板和操作方式都與實際測量儀器的設(shè)置和使用一樣,動態(tài)互交顯示,測量得到的數(shù)據(jù)、波形和特性曲線等如同在真實儀器上看到的一樣;(2)元器件豐富,軟件中提供了上萬種元器件,能方便的對元件各種參數(shù)進(jìn)行編輯修改,并且能借用模型生成器或代碼模式創(chuàng)建新的模型;(3)仿真能力強(qiáng)大,包括射頻仿真、單片機(jī)仿真、電路向?qū)У裙δ埽?4)分析手段完備,軟件中提供了各種多樣的分析功能,包括暫態(tài)分析、交直流分析、傅里葉分析,等等。

        2 結(jié)合Multisim引入多種教學(xué)方法

        每一種教學(xué)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),教師要兼顧課程內(nèi)容和學(xué)生知識結(jié)構(gòu)和能力的特點(diǎn),在教學(xué)中將各種教學(xué)方法靈活運(yùn)用,去激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的最大潛能,以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[2]。在高頻電子線路課程教學(xué)中結(jié)合Multisim仿真軟件,主要實施的教學(xué)方法有以下幾種。

        2.1 任務(wù)驅(qū)動法

        教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容以及學(xué)生的認(rèn)知水平,提出相應(yīng)的任務(wù),巧妙地將教學(xué)內(nèi)容隱藏在每一項任務(wù)中,同時教師引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做完成相應(yīng)的“任務(wù)”。學(xué)生以完成某一具體任務(wù)為線索去探究新知識,當(dāng)學(xué)生完成這個任務(wù)后也就建構(gòu)了所學(xué)的新知識。例如研究LC并聯(lián)電路諧振的一系列特性:(1)電路諧振時電路的阻抗特點(diǎn),電壓特點(diǎn);(2)電路諧振時電源的電壓與電流相位關(guān)系如何;(3)電路諧振時電感與電容這2個元器件上的電壓大小以及相位關(guān)系如何。要求學(xué)生搭建電路,參考電路如圖1所示,可以通過示波器觀察到所述結(jié)論。進(jìn)一步布置任務(wù),要求學(xué)生通過自己搭建仿真實驗電路,研究記錄LC串聯(lián)諧振電路的特性。

        圖1 LC并聯(lián)諧振回路

        2.2 指導(dǎo)自學(xué)法

        在教師的指導(dǎo)下,讓學(xué)生通過自學(xué)完成特定的教學(xué)任務(wù),這可以節(jié)省課堂教學(xué)時間,同時也可以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。例如在學(xué)習(xí)高頻功率放大器這一章,課堂教學(xué)中搭建參考電路圖如圖2所示,觀察丙類諧振功率放大器的典型特性:(1)輸入信號波形與集電極電流波形之間的非線性特征。(2)輸入信號波形與輸出信號波形之間的線性特征。課堂教學(xué)中完成以下任務(wù):(1)分析說明丙類諧振功率放大器集電極電流為什么會呈現(xiàn)周期的余弦脈沖形狀?(2)如何保證輸出信號與輸入信號成線性關(guān)系?

        圖2 丙類諧振功率放大器

        布置相關(guān)任務(wù),要求學(xué)生進(jìn)一步研究高頻功率放大電路的外部特性,主要包括:調(diào)諧特性、負(fù)載特性、振幅特性和調(diào)制特性。要求學(xué)生課后完成仿真實驗,上交分析報告。學(xué)生利用Multisim仿真軟件完成特定任務(wù)的自學(xué)指導(dǎo)法,有助于學(xué)生高效率地掌握大量系統(tǒng)化的知識。

        2.3 仿真演示法

        將實際操作與仿真技術(shù)相結(jié)合??梢岳肕ultisim仿真軟件進(jìn)行設(shè)計、分析和調(diào)試電路。教師可以很方便得在仿真軟件上修改實驗參數(shù),學(xué)生可以直觀形象地看到對應(yīng)的電路性能情況[3]。如用Multisim仿真軟件對普通幅度調(diào)制進(jìn)行演示,讓學(xué)生觀察調(diào)制系數(shù)大小與已調(diào)波波形的關(guān)系情況。進(jìn)一步可以繼續(xù)演示雙邊帶調(diào)制、單邊帶調(diào)制,比較分析各種已調(diào)波波形的異同及其原因。實踐證明教師將仿真實驗引入課程的教學(xué)中,能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動參與意識[4]。學(xué)生普遍反映這樣的教學(xué)更加形象直觀,容易理解和消化知識點(diǎn)。

        3 Multisim實現(xiàn)高頻電子線路研究實例

        以普通調(diào)幅信號的調(diào)制與解調(diào)教學(xué)內(nèi)容為例,引入Multisim可以展現(xiàn)復(fù)雜的電路圖和各種形式的波形圖,利于提高課堂教學(xué)容量,改善教學(xué)效果。

        3.1 普通調(diào)幅信號數(shù)學(xué)表達(dá)式[5]

        載波電壓為:uc(t)=Ucmcosωct

        調(diào)制電壓為:uΩ(t)=Ec+UΩmcosΩt

        將上兩式相乘為普通振幅調(diào)制信號:

        us(t)=K[Ec+UΩmcosΩt]Ucmcosωct

        =KUcm[Ec+UΩmcosΩt]cosωct

        =Us[1+macosΩt]cosωct

        (1)

        式中:ma表示調(diào)幅波幅度的最大變化量與載波振幅之比,稱為調(diào)幅度或調(diào)制指數(shù)。

        利用三角函數(shù)式將普通調(diào)制信號展開為:

        us(t)=Us[2cosωct+macos(ωc+Ω)t+macos(ωc-Ω)t]/2

        (2)

        由上式可知其包含三個頻率分量,即載波分量ωc、上邊頻分量ωc+Ω、下邊頻分量ωc-Ω。

        3.2 普通調(diào)幅信號調(diào)制實現(xiàn)

        普通調(diào)幅電路的主要構(gòu)成器件是乘法器。在圖3中設(shè)置參數(shù):低頻調(diào)制信號uΩ(t)的振幅為1V,頻率為1kHz,Ec設(shè)為2V,載波信號uc的振幅為1V,頻率為50kHz。此時,調(diào)幅系數(shù)ma=0.5。雙擊打開示波器XSC1并運(yùn)行仿真電路,可得輸出電壓波形。從圖4中輸出波形可以得出結(jié)論:高頻載波信號的包絡(luò)隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化。

        圖3 由乘法器組成的普通調(diào)幅電路Fig.3 The circuit of normal amplitude modulation composed of multiplier

        圖4 調(diào)幅波波形

        改變實驗參數(shù):(1)使調(diào)幅系數(shù)ma=1,需要將調(diào)制信號電壓的幅值改為2V,這時電路輸出的曲線如圖5所示,此時的包絡(luò)線恰好為調(diào)幅曲線;(2)使調(diào)幅指數(shù)ma=2,需要將調(diào)制信號電壓的幅值改為4V,這時電路輸出的曲線如圖6所示,已調(diào)波的包絡(luò)形狀產(chǎn)生了嚴(yán)重的包絡(luò)失真,這種情況稱為過調(diào)失真。

        通過以上仿真可知,為了避免產(chǎn)生過調(diào)失真,確保調(diào)制信號的變化規(guī)律被調(diào)波的包絡(luò)真實反映出來,為將來在接收端能解調(diào)出原始調(diào)制信號做好準(zhǔn)備,要求調(diào)制系數(shù)ma,使之滿足0

        3.3 普通調(diào)幅信號解調(diào)實現(xiàn)

        3.3.1 構(gòu)建二極管包絡(luò)檢波電路

        圖7為該實驗電路。取調(diào)幅電壓源V1產(chǎn)生普通調(diào)幅波作為輸入信號,由V1產(chǎn)生的普通調(diào)幅波經(jīng)二極管包絡(luò)檢波電路輸出波形并在示波器上顯示。

        圖5 ma=1時調(diào)幅波形

        圖6 ma=2時調(diào)幅波形

        圖7 包絡(luò)檢波電路

        相應(yīng)信號參數(shù)設(shè)置為:調(diào)制信號頻率為1kHz;載波信號的頻率為50kHz,振幅為0.8V;調(diào)制信號調(diào)幅指數(shù)ma=0.5;C1為33nF,R1為10uF,R2為50kΩ,R2為10kΩ。打開示波器并開啟仿真按鈕,可得到波形圖8。

        圖8 普通調(diào)幅信號及其解調(diào)后的信號

        圖8所示中,下部分二極管包絡(luò)檢波電路的輸入信號波形也即產(chǎn)生的普通調(diào)幅信號,上部分是二極管包絡(luò)檢波電路的輸出信號。

        3.3.2 二極管包絡(luò)檢波器的兩種失真

        將二極管包絡(luò)檢波電路中R1增大為100kΩ,C1增大為500nF,打開仿真按鈕,得到惰性失真波形圖9。

        圖9 惰性失真波形

        把包絡(luò)檢波電路中的ma參數(shù)修改為0.8,R2減小為5kΩ,觀察仿真波形如圖10,輸出波形負(fù)半周在一段時間內(nèi)為一條直線,這部分信號未被解調(diào)出。

        圖10 負(fù)峰切割失真波形

        4 結(jié)束語

        Multisim的引入為應(yīng)用型本科高?!案哳l電子線路”的教學(xué)提供了全新教學(xué)方法。在教學(xué)過程中可以先簡要介紹基本原理和基本概念,然后通過對電路的分析與仿真,得出結(jié)論,最后再與實際電路波形或數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。通過層層分析,步步深入,將理論學(xué)習(xí)和實踐動手相結(jié)合。實踐證明,將Multisim仿真軟件引入高頻電子線路的教學(xué)中,既能解決課堂學(xué)時緊張的問題,又能使學(xué)生直觀地領(lǐng)會和理解課程的分析方法和處理結(jié)果,達(dá)到理論聯(lián)系實際的良好效果。

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