Multisim虛擬實驗室在“通信電子線路”課程中的教學應用

時 翔

(常州工學院計算機信息工程學院，江蘇 常州 213002)

“通信電子線路”課程是通信工程專業的一門重要課程，傳統的教學手段是通過教師講解，教授學生理性知識后，再讓學生進入實驗室，進行實踐動手驗證與探討，以獲得理論與實踐的統一。這種方法在實際教學中，由于缺乏理性與感性認識之間的必要銜接，許多學生在進入實驗室時，對實驗器材、目的和操作認識不清，對實驗結果未能準確預知，實驗輔助教學實踐達不到預期效果。將EDA工具Multisim軟件引入“通信電子線路”課程的教學，能夠使學生在獲得書本上的理性知識后，及時通過虛擬實驗室環境鞏固和熟悉原理，選擇元件、設計電路、計算與調整參數以及觀測仿真結果，及時獲得感性認識。［1－2］在此基礎上，學生進入現實實驗室后，既不會對實驗器材和電路感到陌生，也不會對實驗目的、操作和結果未有預知，增強了學生的學習興趣，提高了轉化知識的效率。

1 Multisim特征

Multisim是一種交互式電路仿真和分析軟件，主要具有以下功能:為課堂教學提供虛擬實驗室環境;使學生熟悉儀器和元器件的使用;其易用性使學生能夠將精力集中在電路的理解與學習上;能夠更為有效地排除教學故障。該軟件易于使用，其中的儀器和元器件與實際器件極為相似。利用Multisim建立通信電子線路的虛擬實驗室，學生通過虛擬儀器可以理解實際操作過程，不必顧慮元器件和儀器的損壞，節省了時間和成本，為真實環境下的實驗操作打下了基礎。［3－7］

2 虛擬實驗室架構

“通信電子線路”是電路分析、模擬電子線路等的后續課程，是通信工程和電子信息類專業的一門專業技術基礎課程，理論性與實踐性極強。課程研究的主要內容是由無線通信系統的基本原理與基本電路組成，使學生了解通信系統的功能和應用，掌握通信電路中各個功能模塊的工作原理與分析方法，初步具備通信系統分析與設計的能力。

在通信電子線路虛擬實驗室的架構中(如圖1所示)，從系統的角度充分考慮，將其分為通信發射機和接收機兩大功能模塊，并分別在通信發射機模塊中建立正弦波振蕩器、調制器、高頻功率放大器功能子模塊，在通信接收機模塊中建立高頻小信號放大器、混頻器、本地振蕩器、檢波器功能子模塊，各功能子模塊兼有多種電路實現形式(可選、可調)。根據教學內容和需求，學生逐步從功能子模塊的學習過渡到發射/接收功能模塊的學習，并最終建立通信電子線路的系統概念。

圖1 通信系統發射機/接收機模塊及其功能子模塊

3 Multisim實踐應用

在課程中應用 Multisim軟件的輔助教學步驟如圖2所示。學生在完成理論學習后，在教師的引導下，進入Multisim虛擬實驗室，首先進行功能子模塊的功能驗證試驗，通過固定參數電路的仿真與觀測，完善對理論的理解;隨后改變功能子模塊的電路參數，通過仿真與觀測，進行深入的理論學習和探討。［2］

在通信電子電路課程中，按發射到接收的因果順序，分別以正弦波振蕩器、調制器、高頻功率放大器、高頻小信號放大器、混頻器、檢波器6個功能子模塊為例，闡述Multisim對各功能電路工作原理的理論分析、功能驗證和探討。［3－7］

3.1 正弦波振蕩器

圖2 Multisim虛擬實驗室輔助實踐教學流程

以電感三點式振蕩器為例，其電路圖如圖3(a)所示，其反饋信號取自電感兩端，由于互感的作用，振蕩器很容易起振，且頻率調整方便，只需調整振蕩電容就可得到線性的振蕩頻率，但由于電感對高頻分量的高阻抗，使振蕩器輸出的諧波成分多，波形不好。另外，由于電感L1、L2分別與管子的結電容并聯，構成并聯諧振回路，當振蕩頻率過高時，將產生容性失諧，輸出的波形如圖3(b)所示。

圖3電感三點式振蕩器

3.2 調制器

以基極調幅電路為例，其電路如圖4(a)所示，基極調幅電路的調制信號和載波信號均加在基極回路，直流偏壓和電阻確保三極管在非線性區工作，負載由LC并聯諧振電路組成，諧振頻率等于載波頻率。用示波器觀察輸出電壓波形，如圖4(b)所示，可以體會理論分析的結果，并根據示波器的刻度算出調制系數。隨后，學生可以改變載波信號和調制信號的幅度的比例，即改變振幅調制系數，觀察不同ma時的輸出波形，進行進一步探討。

圖4 基極調幅調制器

3.3 高頻功率放大器

高頻功率放大器通常用在發射機末級功率放大器和末前級功率放大器中，主要對高頻信號的功率進行放大，使其達到發射功率的要求。一個典型的高頻功率放大器電路如圖5(a)所示，其電路特點是:晶體管工作在丙類，負載為并聯諧振回路，調諧在輸入信號的頻率上，起濾波和阻抗匹配的作用。

圖5 高頻功率放大器

學生在完成功能驗證后，可以改變輸入信號和諧振負載，瞬態可見集電極電流為一串尖脈沖，進行進一步探討與思考。(由于示波器只能觀察到電壓波形，因此，減小負載電阻，通過觀察電阻上電壓顯示電流情況。)

3.4 高頻小信號放大器

高頻小信號放大電路主要由晶體管、負載、輸入信號和饋電電路等部分組成。以圖6(a)所示電路為例，晶體管基極為正偏，工作在甲類，負載為LC并聯諧振電路，調諧在輸入信號的頻率上，該電路能夠對輸入的高頻信號進行放大。從示波器中觀察到相關波形如圖6(b)所示。由圖形可見，高頻小信號諧振放大電路的輸入信號和輸出信號反相，且輸出信號比輸入信號的幅度大許多。

如圖6(c)所示，通過波特儀可方便地觀察到該放大器的選頻特性和通頻帶。

圖6 高頻小信號放大器

3.5 混頻器

用乘法器實現的混頻電路如圖7(a)所示，圖中L1、C1、R2構成中頻濾波器，諧振頻率為60 kHz。模擬乘法器對AM 信號與160 kHz的本振信號進行差頻，通過濾波器將差頻信號輸出(圖中調幅信號取ma為0.8)

圖7 混頻器

3.6 檢波器電路

包絡檢波器只能解調已調信號包絡隨調制信號規律變化的普通調幅波，而DSB和SSB信號的包絡不直接反映調制信號的變化規律，只能用同步解調的辦法解調。圖8(a)所示為用乘法器實現的同步檢波電路。電路中第1個乘法器用來實現DSB信號，該信號作為第2個乘法器的輸入信號，與插入載頻(與載頻同頻同相)相乘。然后經低通濾波器輸出，即可得解調信號，如圖8(b)所示。

圖8 同步檢波器

4 結語

利用Multisim軟件，建立“通信電子線路”課程的虛擬實驗室，實現了理論與實踐的良好過渡與結合，使學生的學習遵循從理論到建模、從仿真到動手的獲取及探討知識的科學過程，從而使教學流程更加合理和完整。學生直觀地看到電路的構成、信號的產生和變化，發現問題、解決問題，有助于對教學內容的理解，還可促進學生動手能力和創新意識的提高，有利于學生綜合素質的培養。未來的教學改革中，一方面將繼續完善Multisim虛擬實驗室，突出其功能性與交互性，一方面更加突出主體，促進學生利用實驗室進行課程設計、課外科技發明與創新。

［1］周凱.EWB虛擬電子實驗室［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［2］W H Tranter，K S Shanmugan，T S Rappaport，et al.通信系統仿真原理與無線應用［M］.肖明波，楊光松，許芳，等，譯.北京:機械工業出版社，2005:6.

［3］侯麗敏，閆健.“通信電子線路”課程中集成電路的仿真與教學［J］.電氣電子教學學報，2010(2):79－81.

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