摘" 要" 測試技術(shù)課程是一門實踐性很強的電類專業(yè)基礎(chǔ)課程，在學(xué)習(xí)電路工作原理的基礎(chǔ)上運用Multisim仿真軟件構(gòu)建電路仿真模型，仿真并實時演示電路的動態(tài)工作過程。進(jìn)一步通過引導(dǎo)學(xué)生改變電路模型中的相關(guān)參數(shù)，通過觀察、分析電路特性與電路參數(shù)之間的關(guān)系，使學(xué)生加深對電路基本原理的理解，起到較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞" 測試技術(shù)；Multisim；鎖相環(huán)

中圖分類號：E251.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）03-0015-03

0" 引言

測試技術(shù)是高等學(xué)校電類專業(yè)一門重要的課程，是對多門基礎(chǔ)電類課程，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路分析、傳感器技術(shù)等知識的綜合與深化，涉及內(nèi)容較廣。與基礎(chǔ)電類課程相比，測試技術(shù)課程更加貼近應(yīng)用實際，具有很強的實踐性，因此，授課時應(yīng)注重理論與實踐的相互融合才能激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和研究興趣，提升學(xué)習(xí)動力，提高創(chuàng)新意識，增強學(xué)習(xí)效果。

傳統(tǒng)的基于實物的測試技術(shù)課程實驗一般流程為：實驗準(zhǔn)備→理論講解→學(xué)生實驗→總結(jié)講評，雖然基于實物的課程實驗更接近實際，但也存在缺點：一是需要大量的實驗器材準(zhǔn)備和收尾工作；二是如果操作不當(dāng)，可能造成器件損壞或人身傷害；三是實驗過程中，更改試驗方案或更改實驗元器件參數(shù)比較煩瑣；四是受各種因素限制，實驗設(shè)備和元器件更新較慢，不能緊跟最新技術(shù)的快速發(fā)展。而仿真軟件可以很好地解決這些問題，學(xué)生先將設(shè)計好的電路在仿真軟件上進(jìn)行搭建、仿真驗證，并根據(jù)仿真情況對電路進(jìn)行調(diào)整[1]。在仿真效果較好的情況下，后續(xù)再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實際電路的搭建和調(diào)試。實驗與仿真軟件的結(jié)合，是電類課程實驗教學(xué)未來的發(fā)展趨勢[2]。

Multisim是一款專用電路設(shè)計仿真軟件，功能豐富、使用簡單、操作方便，因此得到了廣泛的應(yīng)用。它擁有豐富的電子元器件庫，可以自行下載添加最新電子器件，還提供了種類豐富的標(biāo)準(zhǔn)化仿真儀器，如萬用表、示波器、邏輯分析儀、字發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、波特圖測試儀等，大大提升了實驗的自主性和拓展性[3-4]。

1" 仿真實驗電路

測試技術(shù)課程的電路與實際應(yīng)用結(jié)合緊密，涉及放大電路、濾波電路、信號變換電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號產(chǎn)生電路等。與基礎(chǔ)電學(xué)課程僅限于理論研究不同，應(yīng)用類電學(xué)課程講授時，還要考慮到電路的實際應(yīng)用需求，如對電源、電壓、電流、時間、體積、大小、成本等方面的實際要求。下面以鎖相環(huán)（Phase Locked Loop）電路為例，探討Multisim仿真軟件在測試技術(shù)課程電路仿真實驗中的應(yīng)用。

鎖相環(huán)的概念比較抽象，涉及新的概念和比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析。因此，無論是對于教師授課還是學(xué)生理解都有一定難度。將Multisim仿真引入鎖相環(huán)課堂教學(xué)和課程實驗，有助學(xué)生理解和掌握相關(guān)內(nèi)容，可為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

鎖相環(huán)是一個使輸出信號（由振蕩器產(chǎn)生的）與參考信號或者輸入信號在頻率和相位同步的電路。在同步（通常稱為鎖定）狀態(tài)，振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為零，或者保持常數(shù)[5]。鎖相環(huán)實際上是一種自動相位控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航以及各種測量儀器中。比如雷達(dá)探測目標(biāo)時，雷達(dá)接收機微波本振為壓控振蕩器，其振蕩頻率要求與目標(biāo)回波信號的頻率比較接近，這樣當(dāng)雷達(dá)接收機接收到目標(biāo)回波信號時能快速鎖定，大大縮短目標(biāo)回波鎖定時間，雷達(dá)接收機微波本振的實現(xiàn)就采用了鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)電路原理框圖如圖1所示。

鑒相器實際上是一個乘法器，它用于比較輸入信號fi和反饋信號fc的相位（頻率），輸出與兩者相位差成比例的誤差信號（包含fi+fc和fi-fc頻率成分）。環(huán)路濾波器具有低通特性，可以起到低通濾波器的作用，更重要的是它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性作用。環(huán)路濾波器會濾除鑒相器輸出的信號中的高頻分量和噪聲，起濾波平滑作用，以保證環(huán)路穩(wěn)定和改善環(huán)路跟蹤性能，最終輸出控制電壓到壓控振蕩器，控制其輸出頻率。環(huán)路濾波器是一個線性電路，常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器三種。

環(huán)路鎖定時，輸入信號fi和反饋信號fc的相位差保持不變（即頻率相等），鑒相器輸出頻率穩(wěn)定的信號（頻率為fi+fc），經(jīng)低通濾波后輸出恒定直流電壓，控制壓控振蕩器輸出穩(wěn)定的頻率fo，頻率值取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的電路特性。如果反饋網(wǎng)絡(luò)為一個1/N分頻網(wǎng)絡(luò)，則fo=Nfc=Nfi[6]。為了研究方便，此處取反饋網(wǎng)絡(luò)的電路特性為N=1，則fo=fc，即通過導(dǎo)線直接將壓控振蕩器的輸出端與鑒相器的輸入端相連。

如果在環(huán)路工作過程中，壓控振蕩器輸出頻率fo與輸入信號頻率fi不同，則兩信號之間的相位差始終在變化，導(dǎo)致鑒相器輸出的誤差信號中所含的頻率成分不斷發(fā)生變化。低通濾波器輸出也在不斷變化，隨著fo與fi頻率的逐漸接近，環(huán)路濾波器隨之發(fā)生變化，壓控振蕩器的輸出頻率隨之變化。當(dāng)壓控振蕩器的輸出頻率逐漸變化到與輸入信號頻率相等時，鑒相器輸出頻率穩(wěn)定（fi+fc）的波形信號，經(jīng)環(huán)路濾波器后輸出穩(wěn)定的直流信號，控制壓控振蕩器的輸出頻率不再發(fā)生變化。同時，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻率差變?yōu)榱?，相位差不再隨時間變化，誤差電壓也固定下來，此時環(huán)路相當(dāng)于進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)，故稱為“鎖相環(huán)”。

鑒相器和環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)中的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其電路特性會對鎖相環(huán)的特性產(chǎn)生較大影響。學(xué)生比較難理解的是鑒相器增益和環(huán)路濾波器的參數(shù)變化對整個鎖相環(huán)路特性的影響。

2" 實驗電路仿真

2.1" 實驗?zāi)康?/p>

1）認(rèn)識和理解鎖相環(huán)電路的不同組成模塊。

2）運用仿真實驗，觀察不同模塊的輸出波形，幫助學(xué)生理解鎖相環(huán)電路中各組成模塊的功能。

3）通過改變電路參數(shù)改變鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)，幫助學(xué)生正確理解阻尼系數(shù)對鎖相環(huán)電路的影響，使其能夠根據(jù)要求定性地對電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2" 電路設(shè)計

根據(jù)圖1原理框圖設(shè)計的鎖相環(huán)仿真電路如圖2所示。為了使學(xué)生注重于鎖相環(huán)中各環(huán)節(jié)的主要作用和特性，圖2中的鑒相器和壓控振蕩器采用了模塊電路，這樣在進(jìn)行電路仿真實驗時，只需設(shè)置鑒相器和壓控振蕩器的增益即可。圖中的A1為鑒相器，其輸出增益為3。環(huán)路濾波器由兩部分組成，一部分是由R1、C1組成的無源低通濾波電路，一部分是由R2、R3、R4、C2和U2組成的比例積分低通濾波電路，加入無源低通濾波電路可以更好地抑制高頻信號，使環(huán)路濾波器的輸出更平滑，尤其是在鑒相器的增益比較大時。

圖2所示的環(huán)路濾波器的直流增益為106 dB，上限截止頻率為45 mHz，對圖2所示鑒相器輸出的“和信號”（2.4 MHz）的增益為-31.9 dB。壓控振蕩器的輸出頻率設(shè)置在0.5～1.5 M之間。

2.3" 電路仿真

按圖2所示搭建好仿真電路后，啟動電路仿真。用示波器可觀察到鑒相器和環(huán)路濾波器的輸出波形如圖3所示。

由圖3可以看出，鑒相器輸出信號開始一段時間差頻信號比較明顯，經(jīng)過環(huán)路的捕獲作用后，鑒相器輸出信號中的低頻分量的頻率越來越小，最終趨向于直流信號，此時鑒相器輸出頻率穩(wěn)定的“和信號”（2.4 MHz），經(jīng)環(huán)路低通濾波后，控制信號趨向于直流信號。輸入信號和輸出信號的頻率一開始不同，隨著環(huán)路的工作過程的推進(jìn)，輸出信號和輸入信號之間的頻率和相位不斷朝著頻差縮小的方向變化。經(jīng)過一定時間的環(huán)路捕獲之后，兩者之間的頻率相同，相位差恒定，符合正弦型鎖相環(huán)的基本特征。圖2所示參數(shù)情況下，鎖相環(huán)電路的環(huán)路穩(wěn)定時間約為430 μs，穩(wěn)定時環(huán)路濾波器的輸出紋波電壓為42 mV，最高過沖電壓為2.66 V。

2.4" 鑒相器的進(jìn)一步探索

根據(jù)鎖相環(huán)理論公式，鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)直接影響整個鎖相環(huán)的瞬態(tài)特性。如果阻尼系數(shù)過大，環(huán)路的低通濾波性能較差，過沖增大，但捕獲時間較快。如果阻尼系數(shù)太小，低通濾波性能較好，則捕獲時間將加長。而鑒相器的增益和環(huán)路濾波器的電阻、電容值選擇可直接影響鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)。

電路仿真時，通過改變鑒相器的增益和環(huán)路濾波器的電阻、電容值，可以改變鎖相環(huán)的阻尼系數(shù)。將圖2中鑒相器的增益改為5，增大鎖相環(huán)的阻尼系數(shù)。啟動電路仿真，得到如圖4所示的鑒相器和環(huán)路濾波器的輸出波形。此時，鎖相環(huán)電路的環(huán)路穩(wěn)定時間約為174 μs，穩(wěn)定時環(huán)路濾波器的輸出紋波電壓為54 mV，最高過沖電壓為2.80 V，驗證了阻尼系數(shù)對鎖相環(huán)的影響。

引導(dǎo)學(xué)生改變環(huán)路濾波器參數(shù)，進(jìn)而改變鎖相環(huán)阻尼系數(shù)，仿真并觀察、對比波形，進(jìn)一步驗證鎖相環(huán)理論公式，使學(xué)生對鎖相環(huán)路各環(huán)節(jié)電路參數(shù)的調(diào)整對鎖相環(huán)的影響，有更加深刻的理解和認(rèn)識，強化鞏固所學(xué)的理論知識。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實際，對于需要快速進(jìn)入頻率鎖定狀態(tài)的鎖相環(huán)電路，如雷達(dá)探測系統(tǒng)，可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)路各環(huán)節(jié)的電路參數(shù)，增大阻尼系數(shù)來滿足要求。對于需要環(huán)路濾波器輸出過沖較小，且環(huán)路穩(wěn)定時間要求不高的場合，可以通過改變電路參數(shù)、減小鎖相環(huán)的阻尼系數(shù)來滿足要求。這只是對電路參數(shù)進(jìn)行定性調(diào)整，對學(xué)有余力的學(xué)生，可以引導(dǎo)他們結(jié)合實際問題，根據(jù)鎖相環(huán)路傳遞函數(shù)對電路參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)整，充分發(fā)揮他們的主觀能動性，獲得解決問題的成就感，進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動力。

3" 結(jié)束語

通過在測試技術(shù)課程中引入Multisim軟件，構(gòu)建電路仿真模型，結(jié)合現(xiàn)場電路動態(tài)過程，對仿真波形中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)理論知識進(jìn)行講解，可加深學(xué)生對所學(xué)電路知識基本原理的理解。通過引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整電路參數(shù)，仿真并觀察波形變化，不但可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以通過對比加深學(xué)生對一些結(jié)論的掌握，起到了良好的教學(xué)效果。

4" 參考文獻(xiàn)

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