虛擬高頻電路實驗教學系統開發研究

孫俊卿,羅云林,黃建宇

摘 要:采用電路仿真軟件和多媒體軟件開發虛擬高頻電路實驗教學系統,是對實物實驗的有益補充。它不僅可以使學生高效率地完成實驗預習,通過仿真得到實驗的理論測試數據和波形,為實物實驗測試提供參考依據,減少實驗的盲目性,也可以開設一些實驗成本高或擴展學生知識面的演示性實驗。實驗方式更加靈活,更有利于激發學生的學習興趣,提高學生的自學能力和創新意識。

關鍵詞:高頻電路;虛擬實驗;仿真;多媒體軟件

中圖分類號:TP311.52文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-107-03

Development and Study of Virtual High Frequency Circuit Experiment System

SUN Junqing,LUO Yunlin,HUANG Jianyu

(Civil Aviation University of China,Tianjin,300300,China)

Abstract: The high -frequency electronic circuit experiment system is established by the software of electrical circuits′simulation and multimedia.Students can prepare their experiments,get theory measurement results and waveforms by it which provides reference for the real experiment measurement.The experiments are flexible to improve learning interests,self-learning and innovating ability of students.

Keywords:high -frequency electronic circuit;virtual experiment;simulation;multi-media software

0 引 言

高頻電路是通信工程、電子信息工程等電類專業學生的主要專業基礎課,通過該課程的學習,使學生掌握高頻放大、振蕩、高頻功率放大以及調制、解調、混頻等基本電路的工作原理、性能特點及各種電路的基本分析方法,為學習衛星通信系統、GPS導航系統、光纖通信系統等課程儲備基礎知識。

高頻電路實驗與電路實驗、模擬電子技術實驗和數字電子技術實驗相比,具有如下特點:

(1) 因分布參數的影響,使高頻電路實驗更加復雜。可能會因為一個元件的放置位置,導線的布線等出現測試結果出現較大的誤差。

(2) 電路實驗、模擬電路實驗、數字電路實驗通常只研究時域特性,用示波器查看波形,用萬用表測量電壓、電流即可。而高頻電路實驗除時域分析外,還要進行頻域分析。例如,觀察調幅波的頻譜。

(3) 高頻電路實驗線路比電路實驗、模擬電路實驗和數字電路實驗復雜得多,分析和理解更加困難。

隨著計算機技術和網絡技術的發展,虛擬實驗在電子技術實驗教學中的應用日益廣泛。但目前的研究成果主要集中在電路實驗、模擬電路實驗和數字電路實驗的教學中,高頻電路實驗幾乎是空白。

綜上所述,開發虛擬高頻電路實驗教學系統,將仿真技術應用于高頻電路實驗教學更具有實際意義。

1 系統的功能

虛擬實驗是對實物實驗的有益補充,這里開發的虛擬高頻電路實驗教學系統的主要功能有:

(1) 作為實驗預習系統。

傳統實驗的預習因實驗時間和地點的限制,學生往往只能是看實驗指導書預習,無法進行實際操作,觀察實驗現象,預習效率很低,導致學生進入實驗室后,教師需要花大量的時間講解,減少了學生實際操作的時間,不利于實踐能力的培養。

該系統設計以中國民航大學對通信工程、電子信息工程專業開設的高頻電路實驗項目和實驗內容為依據,同時兼顧其他高校的實驗項目和實驗內容。目前,該系統設計有高頻放大電路實驗、LC和石英晶體振蕩實驗、調制與解調實驗等10個基礎實驗。借助于該系統,學生可以在一臺計算機上查看實驗目的、實驗原理、實驗內容和實驗步驟等,還能對實驗電路進行仿真分析,得到實驗的理論測試數據和波形,為實物實驗測試提供參考依據,減少實驗的盲目性;也可以任意改變電路參數,觀察電路的性能,使實驗的預習更加靈活、有效,更有利于培養學生的自學能力。

(2) 作為演示性實驗系統。

有些開設成本高、需要儀器設備復雜的實驗只能設計成演示性實驗。例如,調幅、調頻收發機實驗就比較復雜,既有高頻電路,又有低頻電路;既有時域分析,又有頻域分析,實物實驗室內很難完成綜合程度如此高的實驗。但借助于虛擬實驗可以對這些實驗進行演示,使學生建立模擬通信系統的整體概念。目前,該系統中已設計完成了調幅收發機方面的演示性綜合實驗。

2 虛擬實驗系統開發技術分析

開發虛擬實驗系統按使用的軟件分,主要有以下方式:

(1) 利用LabVIEW構造的虛擬實驗系統。

LabVIEW是開發測控儀器和商業軟件工具,它既能通過編程進行仿真設計實驗,又能通過輸入/輸出接口,編程完成數據的采集、分析和處理,構建真正的虛擬儀器實驗和虛擬實驗。LabVIEW提供的界面功能強大,外觀接近真實儀器儀表,不但可以開發各種虛擬實驗,而且可以作為訓練學生掌握信號發生器、示波器、頻譜儀等常用儀器、儀表的有力輔助工具。文獻[1]給出了使用 LabVIEW開發的RLC電路分析實驗。這種開發方法的優點在于開發實驗的元件器和儀器儀表與真實的幾乎一樣,但實現較復雜的電路比較困難,在開發摸擬電子技術實驗和高頻電路實驗方面均沒有報道。

(2) 利用Matlab構造的虛擬實驗系統。

Matlab具有強大的仿真和計算能力,一直是控制領域里最重要的工具之一,可以用來開發自動控制原理、信號與系統等課程的虛擬實驗。文獻[2]給出了使用Matlab開發的自動控制虛擬實驗,但開發電子技術類的虛擬實驗目前尚未有報道。

(3) 自行編程(VB,VC,Java)的虛擬實驗系統。

由于自行編程開發的實驗系統可以最大程度地適應設備的性能,靈活定制實驗的功能和界面。目前有許多學校的研究集中在實物仿真實驗上,大多是借助于編程軟件和多媒體技術實現的。文獻[3]給出了使用VB開發的電工虛擬實驗。因編程工作量較大,實現的功能主要集中在電路和數字電路的部分實驗,沒有全面系統的實現,使用受到限制。

眾所周知,基礎實驗教學主要是以驗證理論為主,基礎實驗中大多為驗證性實驗。從這個角度考慮,虛擬實驗不一定要有實物感,只是以電路符號的形式展示出來是可以的,關鍵是電路性能的仿真應準確,或能達到目前利用實驗箱進行實驗的效果。基于該原則,選擇了利用VB結合電路仿真軟件Multisim開發虛擬高頻電路實驗系統。利用電路仿真軟件自身提供的元器件庫、儀器、儀表庫和電路分析功能,無需編程,就可以開發出各種功能的實驗電路,完全可以滿足驗證性實驗和演示性實驗教學的需要。

3 虛擬高頻電路實驗系統開發方法

虛擬高頻電路實驗系統的設計內容主要分為兩部分:實驗界面的制作和實驗電路的創建與仿真。

3.1 實驗界面的制作方法

VB(全稱Visual Basic)是Microsoft公司推出的可視化編程環境,它具有很強的圖形界面編程能力,因此在軟件設計過程中采用VB制作實驗的界面部分。

實驗界面的功能是:通過“選擇實驗課程(選擇實驗項目)”查看實驗原理、實驗步驟,還可以將實驗結果填入表格,也可以雙擊查看“實驗模擬”進入Multisim界面進行實驗仿真或設計電路。界面具有較好的交互性,設有“進入系統、退出系統、上一頁、下一頁、返回首頁”等功能,便于操作。該部分是由VB制作而成的。在設計過程中,主要用到的控件有:標簽:用于編輯實驗項目的名稱;文本框:用于編輯實驗目的、實驗儀器、預習要求、實驗內容和步驟等內容;命令按鈕:實現翻頁功能或查看電路圖;OLE:用于在VB中插入Microsoft office Excel工作表或調用Multisim進行實驗仿真。

圖1和圖2分別為虛擬高頻實驗系統的主界面和集成電路模擬乘法器MC1596的應用——同步檢波器的實驗界面中的一頁。

圖1 虛擬高頻實驗系統主界面

圖2 實驗內容界面示例

3.2 實驗電路的創建與仿真

Multisim是目前應用最廣泛的電路仿真軟件,它具有豐富的元器件庫;虛擬測試儀器儀表種類齊全,有可以產生正弦波、方波、AM信號、FM信號的信號發生器,其參數可以根據需要自行設置,也有萬用表、雙蹤示波器、頻譜儀、失真度儀等測試儀器,可以完成信號的時域與頻域分析,仿真結果與真實情況十分接近。因此,利用Multisim可以創建各種高頻電路并對電路進行時域和頻域分析。

下面以“集成電路模擬乘法器MC1596的應用——同步檢波器”實驗為例介紹電路創建與仿真方法。

3.2.1 同步檢波器原理

一般用包絡檢波器對普通調幅波進行解調,而對于雙邊帶調幅信號和單邊帶調幅信號的解調,通常是由同步檢波器完成的。解調時需要利用一個與調幅信號的載波同頻同相的載波信號。同步檢波器有兩種:乘積型同步檢波器和疊加型同步檢波器。圖3為乘積型同步檢波器框圖,其對雙邊帶調制信號的解調原理為:

圖3 乘積型同步檢波器框圖

設輸入的雙邊帶信號及同步載波信號分別為:

Vs=Vsmcos Ωtcos ωct;Vc=Vcmcos ωct

式中:Ω為調制信號的角頻率;ωc為載波信號的角頻率。則乘法器的輸出電壓為:

V1=KVsVc=12KVsmVcmcos Ωt+

12KVsmVcmcos Ωtcos 2ωct

經過低通濾波器,濾除高頻分量,即可得到解調后的低頻調制信號:

V0=12KVsmVcmcos Ωt

同理,可分析同步檢波器對單邊帶信號的解調原理。

3.2.2 MC1596芯片創建方法

集成模擬乘法器MC1596的內部結構如圖4所示。

Multisim的元件庫中并沒有MC1596芯片,如直接采用內部電路設計,因MC1596電路太復雜,在Multisim工作區設計較困難,原理也不夠清晰。為了簡化實驗仿真電路,通過MC1596內部結構可以自行創建MC1596芯片,其方法為:運行Multisim進入工作區,將圖4中所需的元器件分別從元件庫中拖出來,并設置好參數,然后連接導線,即可完成電路圖的繪制工作。通過以下操作可以生成MC1596芯片:選中MC1596的內部結構電路部分→點擊Place→選擇Replace by Subcircuit→輸入芯片名稱“MC1596”,即可將復雜的電路結構用一個芯片代替,如圖5中MC1596部分。

3.2.3 “集成電路模擬乘法器MC1596的應用——同步檢波器”實驗電路創建與仿真

在上面已創建的MC1596的芯片的基礎上,從元件庫中將“集成電路模擬乘法器MC1596的應用——同步檢波器”實驗中所需的信號源、電阻和電容元件從元件庫中取出,連接好電路,即可完成實驗電路的創建,如圖5所示。

圖4 MC1596集成模擬乘法器的內部結構

圖5 MC1596乘積型同步檢波電路

設載波信號的頻率、幅度和調制信號的頻率、幅度分別為:fc=100 kHz,Vc=200 mV(p-p);fs=1 kHz,Vs=200 mV(p-p)。從Multisim右側的儀器儀表庫中取出示波器連接在電路中,運行電路,可以觀察實驗的波形,如圖6所示。利用頻譜分析儀可以觀察調幅信號和解調后信號的頻譜,調幅信號的頻譜如圖7所示。

圖6 調幅信號和解調信號的波形

圖7 調幅信號的頻譜

4 結 語

虛擬高頻電路實驗系統為學生提供了利用計算機實

現高頻電路實驗預習和電路設計的環境,學生可以在EDA實驗室、學生宿舍或網絡中心任何一臺計算機上完成高頻電路實驗預習任務,使實驗方式變得更加方便、靈活、高效;學生可以根據需要設計各種電路,對電路進行仿真分析,從而更加有效地培養學生的電路分析和設計能力,激發學生的學習興趣,培養學生的自學能力和創新能力;也可以開設一些設備短缺、擴展學生知識面的演示性實驗,實驗內容更新不受實驗硬件條件的制約。

參考文獻

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