Multisim在“通信電子線路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

唐 路，苗 澎，田 玲

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

“通信電子線路”課程是通信專業(yè)本科生必修的一門基礎(chǔ)課程。該課程的主要任務(wù)是讓學(xué)生了解和熟悉通信系統(tǒng)的組成電路，初步掌握通信電路的設(shè)計方法［1］。

然而，由于該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論課教學(xué)存在著脫節(jié)滯后的狀況，目前國內(nèi)各院校使用的電工電子實(shí)踐系列教材中少有專門針對“通信電子線路”的EDA虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，這與目前國外高水平大學(xué)通信電子線路EDA虛擬仿真實(shí)驗(yàn)較高的發(fā)展水平相比存在很大的差距。因此，我們認(rèn)為應(yīng)在實(shí)踐環(huán)節(jié)通過安排EDA虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，來幫助學(xué)生鞏固所學(xué)的理論知識。

我校自2009年起，開始為信息工程專業(yè)三年級本科生開設(shè)了“電子電路與綜合實(shí)驗(yàn)”課程，作為“通信電子線路”的配套實(shí)驗(yàn)課程。作為該實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，我們設(shè)計了基于NI Multisim軟件平臺的通信電子線路EDA虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

1 Multisim軟件平臺

采用Multisim軟件平臺進(jìn)行電路仿真的基本步驟為:①根據(jù)電路的性能指標(biāo)，設(shè)計仿真電路原理圖;②根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對仿真選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置;③對電路進(jìn)行仿真，并借助使用Multisim提供的虛擬仿真儀器，觀察仿真結(jié)果［2］。

下面以我們針對本課程教學(xué)所設(shè)計的幾個EDA虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，介紹Multisim軟件平臺在“通信電子線路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2 無源混頻器實(shí)驗(yàn)

在發(fā)射系統(tǒng)中，混頻器(上變頻)把已調(diào)制的信號頻譜搬移到射頻頻段用于發(fā)射;在接收系統(tǒng)中采用作下變頻，把接收的射頻信號搬移到中頻后進(jìn)行解調(diào)［3］。

理想混頻器是把兩輸入信號在時域中相乘:Acosα*Bcosβ =AB［cos(α + β)+cos(α-β)］。然后根據(jù)不同的需要，用濾波器濾除不需要的頻率分量后提供給下一級電路。現(xiàn)以下變頻為例，令兩個端口的輸入信號分別為射頻與本振信號;第三端口的輸出信號為中頻信號。

混頻器的輸出電流值為

其中RD為混頻器的內(nèi)阻，RL為所接負(fù)載的阻抗，ωL為本振信號的角頻率，ωR為射頻信號的角速度，URm為射頻信號的幅值。

混頻器可以分為無源混頻器與有源混頻器兩大類。無源混頻器通常由非線性器件或開關(guān)元件構(gòu)成，電路簡單。但變頻增益小于1。圖1為一個二極管環(huán)形無源混頻器電路原理圖。

圖1 二極管環(huán)形混頻器電路原理圖

根據(jù)該電路原理圖，在Multisim軟件平臺上選取相應(yīng)的器件，構(gòu)成如圖2所示的實(shí)驗(yàn)電路。在變壓器T1處加入射頻信號V1，在變壓器T2處加入本振信號V2。其中的V2輸入信號的Voltage(RMS)值設(shè)為10V，F(xiàn)requency設(shè)為1kHz;而將V1輸入信號的Voltage(RMS)值設(shè)為0.5V，F(xiàn)requency 設(shè)為100Hz。

圖2 二極管環(huán)形混頻器實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)電路構(gòu)造完成后，點(diǎn)擊Multisim主菜單下Simulate→Analysis→Fourier Analysis選項(xiàng)，便可彈出Fourier Analysis對話框，進(jìn)入傅里葉分析狀態(tài)。

Fourier Analysis對話框有 Analysis Parameters、Output、Analysis Options和Summary共四個選項(xiàng)卡。在Frequency Parameters選項(xiàng)卡中我們將采樣頻率frequency resolution設(shè)置為100Hz(這時通過點(diǎn)擊“Estimate”，由程序自動設(shè)置)，采樣包絡(luò)數(shù)Number of Harmonics設(shè)置為40，取樣停止時間一欄點(diǎn)擊“Estimate”，由程序自動設(shè)置。在Output選項(xiàng)卡中，將圖2中電阻R1的電壓(對應(yīng)于圖2中節(jié)點(diǎn)7)設(shè)為所需分析的變量。全部設(shè)置完畢后，先點(diǎn)擊“OK”，再點(diǎn)擊“Simulate”，開始對電路進(jìn)行傅里葉分析。

圖3給出了電路的仿真結(jié)果。由圖3(a)可見，輸出信號中900Hz頻率分量的幅值為0.44989V，1100Hz頻率分量的幅值為0.449832V;由圖3(b)可見，2900Hz頻率分量的幅值為 0.149197V，3100Hz頻率分量的幅值為0.149138V。其中900Hz頻率分量與1100Hz頻率分量幅值基本相同;2900Hz頻率分量與3100Hz頻率分量幅值基本相同;900Hz頻率分量與2900Hz頻率分量幅值之比為0.44989/0.149197=3.016。上述結(jié)果符合式(1)中的各個頻率分量之間的關(guān)系。

圖3 混頻器仿真結(jié)果

3 A類射頻功率放大器實(shí)驗(yàn)

射頻功率放大器的工作特點(diǎn)是低電壓、大電流。其基本組成單元包括晶體管、偏置電路、扼流圈、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載。射頻功率放大器的主要參數(shù)除了常規(guī)的工作頻率、小信號增益等指標(biāo)外，還要特別考慮輸出功率和效率等參數(shù)。射頻功率放大器按照電路中晶體管輸出電流與輸入電壓或電流的關(guān)系可分為線性功率放大器與開關(guān)功率放大器。

A類射頻功放輸出信號為輸入信號的線性函數(shù)，又稱為線性功率放大器。若輸入信號為正弦信號，可得到如下參數(shù)。

交流輸出功率為

電源總功率為

輸出效率為

式中，VCC為電源電壓，ω為輸出交流信號的角頻率，RL為功率管負(fù)載阻抗，Icm為集電極信號電源幅度，ICQ為靜態(tài)工作點(diǎn)電流。根據(jù)電路原理圖，我們在Multisim中選取相應(yīng)的器件，構(gòu)成如圖4所示的A類射頻功放實(shí)驗(yàn)電路。

圖4 A類射頻功實(shí)驗(yàn)電路

此時，雙擊函數(shù)發(fā)生器，將輸入信號設(shè)置為1MHz，幅值為40mV的正弦波信號。

函數(shù)發(fā)生器設(shè)置完成后，調(diào)整可變電阻的百分比(推薦調(diào)整到70%)，以保證整個電路的直流工作點(diǎn)滿足A類射頻功放的要求。隨后，按下Simulation Switch工具欄中最左側(cè)的“Run”按鈕。運(yùn)行一段時間后，按下該工具欄最右側(cè)的“Stop Simulation”按鈕，并觀察示波器中雙蹤顯示的輸入輸出信號的波形，以及毫安表和功率表中的相應(yīng)的讀數(shù)。圖5為示波器的輸出結(jié)果。由圖5可知，電路的輸出端可得到一個與輸入信號方向相反的信號，電壓放大倍數(shù)約為5000/20=250。

圖5 示波器的輸出波形

由圖6可知，毫安表的讀數(shù)為3.227mA，功率表相應(yīng)讀數(shù)為12.407mW。

圖6 毫安表與功率表的度數(shù)

根據(jù)上述觀察結(jié)果，當(dāng)VCC=12V時，可計算出此A類射頻功放的輸出效率為

4 結(jié)語

將NI Multisim軟件引入“通信電子線路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，體現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法。通過實(shí)驗(yàn)的開展，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、動手與反復(fù)思考和總結(jié)，掌握通信電子線路的特點(diǎn)，學(xué)會觀察與分析通信電路的基本設(shè)計方法，起到了良好的教學(xué)效果。

［1］ 顧寶良.談?wù)勯_設(shè)通信電子線路課程的必要性［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2000，22(3):20-22

［2］ 李桂安主編.電工電子實(shí)踐初步［M］.第2版.南京:東南大學(xué)版社，2010

［3］ 顧寶良，苗澎，朱萍編著.通信電子線路［M］.第2版.北京:電子工業(yè)版社，2007