梁芳芳

廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520

通信電路調(diào)試是電子專業(yè)與通信技術(shù)專業(yè)中一門很重要的專業(yè)核心課程，涉及各方面的內(nèi)容，電子線路多樣，數(shù)學(xué)公式多。傳統(tǒng)的教學(xué)是先對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行介紹，然后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證，再進(jìn)行整體的電路系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。在理論講授過程中，需要用到高等數(shù)學(xué)、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子線路等前導(dǎo)課程的內(nèi)容，所涉及的概念抽象，進(jìn)行電路分析的過程中公式推導(dǎo)復(fù)雜煩瑣，使得整個(gè)課堂教學(xué)顯得單調(diào)枯燥，學(xué)生普遍有畏難情緒，形成了學(xué)生難學(xué)、厭學(xué)，教師難教、不愿意教的“兩難”局面，教學(xué)效果不如人意，因而課堂的教學(xué)改革已經(jīng)勢在必行。在課堂教學(xué)過程中引進(jìn)Multisim仿真技術(shù)，則很好地解決了這個(gè)問題。

1 Multisim仿真軟件概述

NI Multisim仿真軟件是由EWB（Electronics Workbench）仿真軟件演化而來，是美國國家儀器有限公司研發(fā)的電路模擬仿真軟件。其具備數(shù)量眾多的元器件數(shù)據(jù)庫，主要有各種型號(hào)的電阻、電容、電感等最基礎(chǔ)的元件，有與或非門等數(shù)字電路的各種TTI和CMOS門電路，還有數(shù)模轉(zhuǎn)換等其他小芯片I和CMOS數(shù)字IC、DAC、MCU及其他各種部件，還允許用戶通過軟件自帶的編輯器自行創(chuàng)建和修改所需各種元件模型。標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬儀器儀表種類齊全，有常規(guī)用的測量電壓電流電阻的萬用表、觀察輸入輸出波形的雙蹤示波器及四通道示波器、提供各種信號(hào)波形的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、測量諧振回路曲線的掃頻儀、研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的頻譜分析儀、分析數(shù)字系統(tǒng)邏輯關(guān)系的邏輯分析儀等，還有Aglient（安捷）示波器，Tektronix（美國泰克）示波器的專業(yè)測試儀器等。這些虛擬的儀器儀表的使用方法和現(xiàn)實(shí)工作中使用的儀器儀表相似，測量的相關(guān)數(shù)據(jù)也和真實(shí)儀器上看到的一樣，精確可靠。同時(shí)，其具有完備的分析手段，可以完成直流工作點(diǎn)分析、交流信號(hào)的工作分析、瞬時(shí)狀態(tài)的分析、信號(hào)失真分析、信號(hào)靈敏度分析等，能基本滿足各種電路分析的要求。NI Multisim將電路原理圖、功能測試仿真儀器和仿真結(jié)果匯聚到一個(gè)工作界面，結(jié)合直觀的捕獲和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地展示不同參數(shù)的結(jié)果。另外，其與NI LabVIEW和Singnal Express軟件的完美兼容，完善了現(xiàn)有的強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠在比較仿真數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)現(xiàn)建模測量，具有圖形界面直觀、元器件庫豐富、儀器儀表齊全、修改參數(shù)方便、分析方法多等優(yōu)點(diǎn)。

2 Multisim仿真技術(shù)在課堂教學(xué)改革中的實(shí)現(xiàn)

通信電路調(diào)試課程的內(nèi)容包含了小信號(hào)調(diào)諧放大電路、高頻丙類功率放大電路、正弦波振蕩電路、線性的振幅調(diào)制與解調(diào)電路、非線性的角度調(diào)制與解調(diào)電路等。文章以小信號(hào)調(diào)諧放大電路的性能指標(biāo)分析為例，演繹Multisim在通信電路調(diào)試課程課堂教學(xué)改革中的應(yīng)用，主要方法是在課堂教學(xué)過程中穿插使用Multisim軟件，通過軟件中的各種元器件設(shè)計(jì)相關(guān)的電路，再使用軟件中所提供的各種虛擬儀器儀表對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行參數(shù)測試，并輸出相應(yīng)結(jié)果。通過這種直觀的仿真電路模型及虛擬儀器儀表所展現(xiàn)的數(shù)據(jù)圖像能幫助學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)，從而獲得良好的課堂教學(xué)效果。

3 Multisim仿真技術(shù)在小信號(hào)調(diào)諧放大電路中的應(yīng)用實(shí)例

小信號(hào)調(diào)諧放大電路居于模擬通信系統(tǒng)的前端，所有的無線信號(hào)通過天線進(jìn)入電路系統(tǒng)時(shí)，首先要經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行篩選，濾除無用的信號(hào)及噪聲，選取有用的信號(hào)并放大，再作進(jìn)一步的傳輸。在學(xué)生學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)的過程中，學(xué)生需要了解該電路的電路結(jié)構(gòu)，分析該電路的工作原理，掌握該電路的性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要是利用大量的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行介紹分析，對(duì)于高職學(xué)生來說，這樣的教學(xué)過程枯燥煩瑣，令人昏昏欲睡，事倍功半。但是在課上引入圖文并茂的Multisim仿真技術(shù)，把理論知識(shí)融入仿真實(shí)驗(yàn)，極大程度上引起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)的效果。

分析小信號(hào)單調(diào)諧放大電路主要從選頻、電壓增益、通頻帶、矩形系數(shù)等方面進(jìn)行。為了更好地幫助學(xué)生理解相關(guān)的內(nèi)容，筆者利用Multisim 13軟件設(shè)計(jì)了小信號(hào)調(diào)諧放大電路，如圖1所示。選取輸入信號(hào)的頻率fi為1MHz，輸入信號(hào)的幅度Ui為1mV的有用信號(hào)V2為輸入的小信號(hào)，然后通過Multisim 13軟件所提供的虛擬儀器儀表分析電路的工作過程及其相關(guān)性能。

圖1 小信號(hào)調(diào)諧放大電路

（1）諧振頻率f0的測試分析。諧振是無線電路中的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)無線電接收機(jī)中調(diào)諧回路本身固有的振蕩頻率與無線電發(fā)射臺(tái)發(fā)射的振蕩頻率相同時(shí)，接收機(jī)就可以收到這個(gè)發(fā)射臺(tái)的無線電波頻率，這個(gè)過程也叫選頻。選頻是從所有的輸入信號(hào)中選取有用的頻率分量而抑制掉無用的頻率分量或噪聲，實(shí)現(xiàn)這一功能主要是靠電路中的LC諧振回路部分。在實(shí)際的電路中，諧振是指在由電阻R、電感L和電容C元件構(gòu)成的交流電路中，調(diào)節(jié)電路元件（L或C）的參數(shù)或輸入信號(hào)的頻率?i，使輸入信號(hào)的頻率?i與LC諧振回路的固有頻率?0相等，電抗值X為零,阻抗值Z等于電阻值R，使LC諧振回路呈現(xiàn)純電阻性，即Z=R。則對(duì)于并聯(lián)諧振電路，諧振電路的表現(xiàn)是電路兩端的輸出電壓達(dá)到最大；而對(duì)于串聯(lián)諧振電路，諧振的表現(xiàn)是電路輸出的電流達(dá)到最大。LC諧振回路的諧振頻率?0計(jì)算公式如下：

實(shí)際的電路工程中小信號(hào)調(diào)諧放大電路的諧振回路采用的是LC并聯(lián)諧振，為了很好地演繹這一原理，在仿真電路中采用了可變電容C4和電感T1，并在輸出端連接了一個(gè)虛擬的頻率計(jì)數(shù)器觀察輸出的頻率（即并聯(lián)諧振電路的輸出頻率），同時(shí)連接虛擬的雙蹤示波器觀察輸入信號(hào)（V2）和輸出信號(hào)波形（即LC并聯(lián)諧振電路兩端的電壓波形）。根據(jù)諧振原理，并聯(lián)諧振電路發(fā)生諧振時(shí)，即頻率計(jì)顯示的頻率和輸入信號(hào)V2的頻率?i一致時(shí)，輸出電壓應(yīng)達(dá)到最大，即示波器顯示輸出波形幅度最大。由于?0的值[見公式（1）]是由電容C4和電感T1決定的，調(diào)節(jié)電容C4可以改變?0的值。

經(jīng)過仿真測試，當(dāng)電容C4調(diào)節(jié)到占電容值9%時(shí)，頻率計(jì)顯示的頻率為999.561kHz，與輸入信號(hào)V2的頻率?i不一致，示波器顯示的輸出波形幅度為26.85Mv，如圖2（a）所示。當(dāng)電容C4調(diào)節(jié)到占電容值10%時(shí)，頻率計(jì)顯示的頻率為1MHz，與輸入信號(hào)V2的頻率?i相一致，而示波器顯示的輸出波形幅度為32.14mV，相比圖2（a）所示的示波器的輸出波形幅度，顯示的幅度升高了，如圖2（b）所示。當(dāng)電容C4調(diào)節(jié)到占電容值11%時(shí)，頻率計(jì)顯示的頻率為999.561kHz，與輸入信號(hào)V2的頻率?i（1M）不一致，但是和圖2（a）頻率計(jì)顯示的頻率是一致的，而示波器顯示的輸出波形幅度為28.39mV，又比如圖2（c）所示示波器的幅度降低了。通過3組直觀圖形及數(shù)值的對(duì)比分析，可見當(dāng)電容C4占10%時(shí)，電路的頻率與輸入信號(hào)V2的頻率?i一致，且輸出的波形幅度達(dá)到最大，則此時(shí)的電路發(fā)生了諧振。

圖2 示波器顯示的輸出波形幅度

（2）諧振電壓放大倍數(shù)AUO的測試分析。電壓放大倍數(shù)AU是衡量放大電路對(duì)輸入信號(hào)的放大能力的指標(biāo)，而諧振電壓放大倍數(shù)AUO是指電路發(fā)生諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)。由于小信號(hào)調(diào)諧放大電路采用的是LC并聯(lián)回路，當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大。通過改變仿真電路中電容C4的占比，可以觀察到仿真電路示波器輸出波形的幅度變化，當(dāng)示波器輸出波形的幅度達(dá)到最大時(shí)，電路達(dá)到諧振，記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)u0和ui，然后通過公式（2）計(jì)算得到AUO。比較示波器所示波形幅度，當(dāng)電容C4占10%時(shí)，電路發(fā)生諧振，頻率為1MHz，波形幅度達(dá)到最大值，UO圖2（b）=32.14mV，則其電壓放大倍數(shù)AU圖2（b）=32.14。當(dāng)電容C4分別占9%和11%時(shí)，頻率計(jì)顯示的頻率同為999.561kHz，示波器所顯示的波形幅度也相近，相對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)分別為AU圖2（a）=26.85，AU圖2（c）=28.39?？梢姡?dāng)電容C4占10%時(shí)，波形幅度達(dá)到最大，電路諧振，其電壓放大倍數(shù)AU圖2（b）=32.14 為諧振電壓的放大倍數(shù)AUO。

（3）通頻帶BW的測試分析。通頻帶用于衡量某一放大電路在不同工作頻率信號(hào)條件時(shí)的放大能力。放大電路中的核心器的三極管有自己特定的工作頻率范圍，而且由于電路中其他電容、電感等電抗元件的存在，當(dāng)輸入信號(hào)頻率不在這個(gè)工作頻率范圍時(shí)，過高或者過低都會(huì)引起放大倍數(shù)的幅度值下降，并產(chǎn)生相移。電路中的通頻帶BW越寬，表明該放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)；通頻帶BW越窄，則表明電路對(duì)如圖3所示諧振曲線工作的中心頻率選擇能力越強(qiáng)。當(dāng)諧振曲線幅值下降到最大值的0.707倍位置時(shí)，或者最大值降低3dB時(shí)，會(huì)有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的頻率值，分別是ω2（上限頻率?H）和ω1（下限頻率?L），則由公式（3）可以計(jì)算出通頻帶BW值。

圖3 諧振曲線

為了更好地理解這一知識(shí)點(diǎn)，在仿真電路中連接了用于測量幅度頻率特性的虛擬儀器波特圖測試儀(XBP1)來幫助分析。當(dāng)幅度值為最大值30.156dB，顯示頻率為1.003MHz，與輸入信號(hào)的頻率?i一致時(shí)，說明電路發(fā)生了諧振，如圖4所示；當(dāng)頻率逐漸減少到936.722kHz，幅度值為27.108dB，相當(dāng)于最大值下降了約3dB時(shí)，由定義可知此為通頻帶的下限頻率fL，如圖5所示；當(dāng)頻率逐漸上升，經(jīng)過了諧振點(diǎn)，幅度達(dá)最大值，頻率繼續(xù)上升，幅度值又開始下降，在達(dá)到27.108dB，即最大幅度值下降了約3dB，頻率為1.083MHz時(shí)，這個(gè)頻率點(diǎn)由定義可知為通頻帶的上限頻率fH，如圖6所示。根據(jù)公式（3），可以計(jì)算出此電路的通頻帶值BW=1083-936=147kHz。

圖4 峰值圖

圖5 下限頻率fL

圖6 上限頻率fH

4 結(jié)束語

綜上所述，在課堂上利用Multisim仿真技術(shù)，使得對(duì)小信號(hào)調(diào)諧放大電路知識(shí)點(diǎn)的介紹更形象生動(dòng)了，而且課堂上還可以讓學(xué)生即時(shí)自行操作使用軟件進(jìn)行驗(yàn)證，使理論與實(shí)踐深度融合，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?？梢姡谕ㄐ烹娐氛{(diào)試課程的課堂教學(xué)過程中使用Multisim仿真軟件，一方面，在課堂上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)演示電路的工作過程直觀明了，使課堂不再單調(diào)沉悶，使學(xué)生對(duì)通信電路的信號(hào)、工作過程及功能的實(shí)現(xiàn)有直觀的感性認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率；另一方面，學(xué)生利用仿真軟件進(jìn)行電路的建模、仿真、調(diào)試，加深了對(duì)知識(shí)的理解，為下一步實(shí)際電路的實(shí)訓(xùn)做好了準(zhǔn)備?？梢灶A(yù)見，傳統(tǒng)教學(xué)與仿真教學(xué)的結(jié)合將會(huì)被越來越多的教師使用，被越來越多的學(xué)生接受。