Multisim仿真軟件在高頻電子線路教學中的應用與探討

苗倩余等

摘 要： 高頻電子線路課程教學存在抽象、枯燥、學生參與的積極性不高的問題。對現(xiàn)有的教學現(xiàn)狀進行改革，把Multisim仿真軟件引入高頻電子線路教學，列舉了單失諧鑒頻電路仿真實例，通過不斷改變電路元件參數(shù)，并進行對比分析感性失諧和容性失諧波形的特點，以及二極管包絡檢波器正常檢波情況、惰性失真現(xiàn)象。通過仿真實驗，可以生動直觀地展現(xiàn)仿真結(jié)果，增強學生的感性認識，加深學生對概念和原理的理解。實踐證明，這種教學方法有利于調(diào)動學生的學習積極性和主動性，明顯改善了教學效果。

關(guān)鍵詞： Multisim； 高頻電子線路； 單失諧振幅鑒頻電路； 教學方法探討

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0127?03

Application of Multisim in high?frequency electronic circuit teaching

MIAO Qian， YU Zhi?yong， HOU Hong?qing， LI Yan?ling， ZHANG Hui， JIANG Qin?bo， XU Hui

（The Second Artillery Engineering University， Xian 710025， China）

Abstract： In view of the problems existing in the teaching of “High?frequency Electronic Circuit”， such as abstract， boring， and low participation enthusiasm of students， the traditional teaching was reformed and the Multisim simulation software was introduced into the teaching of “High?frequency Electronic Circuit”. The simulation examples for single detuning amplitude discriminator circuit were enumerated. Through continuous change of circuit component parameters， the characteristics of detuning waveforms， normal detection of diode envelope detector and inert distortion phenomenon were compared and analysed. The simulation experiments show the simulation results can be revealed intuitively and vividly， which can enhance perceptual knowledge of the students， and deepen understanding of students for the circuit concepts and principles. It is proven through practice that the teaching method is helpful for mobilizing the initiative learning enthusiasm of the students and can improve the teaching effect obviously.

0 引 言

高頻電子線路是通信工程、電子工程專業(yè)一門必修的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，理論性、實踐性、工程性較強。傳統(tǒng)的教學更多注重理論知識的講解，學生很難掌握。為了提高高頻電子線路的教學質(zhì)量，改善教學效果，提高學生的分析和解決問題的能力，有必要將電路仿真軟件引入課堂。Multisim 軟件具有豐富的仿真分析能力，可以設計、測試和演示各種電子電路，為電子線路設計人員在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析等創(chuàng)設了良好的平臺[1]。

本文以單失諧振幅鑒頻電路為例，闡述了Multisim仿真軟件在高頻電子線路課程中的應用，把抽象的問題通過仿真簡單化、形象化，使學生更容易接受。

1 單失諧振幅鑒頻器工作原理

振幅鑒頻器的基本原理是把等幅調(diào)頻波通過頻率?幅度線性變換網(wǎng)絡，變換成振幅與頻率都隨調(diào)制信號而變化的[FM-AM]波，然后通過包絡檢波器根據(jù)[FM-AM]波的包絡變化，還原出原調(diào)制信號。它的電路模型如圖1所示。

最簡單的振幅鑒頻器是單失諧回路振幅鑒頻器，原理電路和波形如圖2所示。電路中的頻率?幅度變換器就是[LC]并聯(lián)諧振回路。

圖1 振幅鑒頻電路模型

圖2 原理電路和波形圖

如果把并聯(lián)諧振回路的諧振頻率[fp]選得高于[FM]波的載波頻率[fo]時，對[FM]信號而言，將工作在并聯(lián)諧振回路的感性失諧區(qū)。工作在感性失諧區(qū)的并聯(lián)諧振回路，其幅頻特性曲線有一段以載頻[fo]為中心的傾斜區(qū)，如圖3所示。

圖3 幅頻特性曲線

當FM波的電流流過回路時，由于對不同的瞬時頻率，回路失諧阻抗大小不同，因此LC回路的端電壓是一調(diào)頻?調(diào)幅波，其振幅uFM?AM將隨FM波的瞬時頻偏[Δf（t）]而變化。當[f（t）>fo]時，回路失諧小，回路輸出電壓振幅uFM?AM大；當[f（t）

2 單失諧振幅鑒頻電路實現(xiàn)

圖4是單失諧振幅鑒頻電路。V1是幅值為6 V，中心頻率為1.2 kHz，調(diào)制信號頻率為100 Hz的輸入調(diào)頻波。[L1]和[C1]組成并聯(lián)諧振回路，實現(xiàn)頻率到幅度的線性變化。VD，[R]和[C]組成二極管峰值包絡檢波器，完成對FM?AM波的檢波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用來觀察輸入等幅調(diào)頻波和諧振回路輸出FM?AM波的波形，XSC2用來觀察FM?AM波和二極管包絡檢波輸出的波形。

圖4 單失諧振幅鑒頻電路

3 單失諧振幅鑒頻電路仿真分析

3.1 頻率?幅度變換分析

要實現(xiàn)頻率?幅度的變換，[L1]，[C1]組成的諧振回路應處于失諧狀態(tài)，那么就要求諧振回路的諧振頻率小于或者大于輸入調(diào)頻波的中心頻率1.2 kHz。

（1） 感性失諧分析

當[L1]=102 μF，[C1]=98 μF時，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為1.59 kHz，大于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路感性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖5所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?幅度變換的FM?AM波，實現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

（2） 容性失諧分析

當[L1]=200 μF，[C1]=230 μF時，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為0.74 kHz，小于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路容性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖6所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?調(diào)幅變換的FM?AM波，實現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

圖5 輸入調(diào)頻波和感性失諧輸出波形

圖6 輸入調(diào)頻波和容性失諧輸出波形

3.2 包絡檢波輸出

以感性失諧為例，當[R]=10 kΩ，[C]=50 nF時，在示波器XSC2觀察二極管包絡檢波器輸出波形如圖7所示。當[R]=10 kΩ，[C]=100 nF時，檢波器輸出波形如圖8所示。

圖7 C=50 nF時檢波輸出波形

圖8 C=100 nF時檢波輸出波形

從圖7和圖8波形的輸出可以看出，此時電路雖然都能夠檢波出FM?AM的包絡信號，但隨著逐步增加[C]的值時，輸出信號的高頻波紋變小，更加接近光滑曲線。繼續(xù)增大[C]的值，設[C]為600 nF，900 nF，檢波器輸出波形如圖9和圖10所示，可以看出，當逐步增加[C]時，二極管包絡檢波器產(chǎn)生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明顯。對比分析見表1（R=10 kΩ）。

表1 包絡檢波器仿真輸出對比表

通過仿真結(jié)果可以看出：

（1） 諧振回路在感性失諧和容性失諧時輸出的FM?AM波波形的異同，雖然都實現(xiàn)了頻率到幅度的變化，但是諧振回路感性失諧時，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化一致，即頻率高，幅值大；頻率低，幅值小；容性失諧時，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化不一致，即頻率高，幅值小；頻率低，幅值大。

（2） 利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負載[C]的充放電過程實現(xiàn)檢波，所以[C]的選擇很重要。[C]過大，則會產(chǎn)生惰性失真。[C]太小，高頻波紋大。

圖9 C=600 nF時檢波輸出波形

圖10 C=900 nF時檢波輸出波形

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)教學在講解利用諧振回路的感性失諧、容性失諧特性實現(xiàn)頻率到幅度的變換輸出的波形和二極管包絡檢波正常檢波和惰性失真輸出波形特點時，給學生的直觀印象不深。而通過將Multisim仿真軟件引入課程教學，可以很形象地表達出波形的特點，豐富了教學內(nèi)容，學生的信心得到提高，加深了對理論知識的理解吸收，教學效果明顯改善。

參考文獻

[1] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim 10仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（18）：172?174.

[2] 朱高中.基于Multisim仿真軟件在高頻實驗教學中的應用研究[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（11）：106?108.

[3] 朱華光.Multisim 10在模擬電路實驗中的應用及研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（15）：92?96.

[4] 孫會麗.電路的分析方法[J].電子科技，2013，26（4）：162?164.

[5] 黃揚帆，甘平，劉曉，等.高頻電路實驗教學改革的探索[J].實驗室研究與探索，2011，30（7）：285?287.

[6] 張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7] 周天宏.高頻電子電路實臉設計經(jīng)臉與技巧[J].自動化與儀器儀表，2013（3）：177?180.

[8] 朱高中.基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實驗[J].實驗室研究與探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艷香，朱根生，劉志盼，等.基于Multisim高頻電子線路實驗平臺設計的探討[J].實驗室科學，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation

2 單失諧振幅鑒頻電路實現(xiàn)

圖4是單失諧振幅鑒頻電路。V1是幅值為6 V，中心頻率為1.2 kHz，調(diào)制信號頻率為100 Hz的輸入調(diào)頻波。[L1]和[C1]組成并聯(lián)諧振回路，實現(xiàn)頻率到幅度的線性變化。VD，[R]和[C]組成二極管峰值包絡檢波器，完成對FM?AM波的檢波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用來觀察輸入等幅調(diào)頻波和諧振回路輸出FM?AM波的波形，XSC2用來觀察FM?AM波和二極管包絡檢波輸出的波形。

圖4 單失諧振幅鑒頻電路

3 單失諧振幅鑒頻電路仿真分析

3.1 頻率?幅度變換分析

要實現(xiàn)頻率?幅度的變換，[L1]，[C1]組成的諧振回路應處于失諧狀態(tài)，那么就要求諧振回路的諧振頻率小于或者大于輸入調(diào)頻波的中心頻率1.2 kHz。

（1） 感性失諧分析

當[L1]=102 μF，[C1]=98 μF時，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為1.59 kHz，大于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路感性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖5所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?幅度變換的FM?AM波，實現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

（2） 容性失諧分析

當[L1]=200 μF，[C1]=230 μF時，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為0.74 kHz，小于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路容性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖6所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?調(diào)幅變換的FM?AM波，實現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

圖5 輸入調(diào)頻波和感性失諧輸出波形

圖6 輸入調(diào)頻波和容性失諧輸出波形

3.2 包絡檢波輸出

以感性失諧為例，當[R]=10 kΩ，[C]=50 nF時，在示波器XSC2觀察二極管包絡檢波器輸出波形如圖7所示。當[R]=10 kΩ，[C]=100 nF時，檢波器輸出波形如圖8所示。

圖7 C=50 nF時檢波輸出波形

圖8 C=100 nF時檢波輸出波形

從圖7和圖8波形的輸出可以看出，此時電路雖然都能夠檢波出FM?AM的包絡信號，但隨著逐步增加[C]的值時，輸出信號的高頻波紋變小，更加接近光滑曲線。繼續(xù)增大[C]的值，設[C]為600 nF，900 nF，檢波器輸出波形如圖9和圖10所示，可以看出，當逐步增加[C]時，二極管包絡檢波器產(chǎn)生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明顯。對比分析見表1（R=10 kΩ）。

表1 包絡檢波器仿真輸出對比表

通過仿真結(jié)果可以看出：

（1） 諧振回路在感性失諧和容性失諧時輸出的FM?AM波波形的異同，雖然都實現(xiàn)了頻率到幅度的變化，但是諧振回路感性失諧時，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化一致，即頻率高，幅值大；頻率低，幅值小；容性失諧時，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化不一致，即頻率高，幅值小；頻率低，幅值大。

（2） 利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負載[C]的充放電過程實現(xiàn)檢波，所以[C]的選擇很重要。[C]過大，則會產(chǎn)生惰性失真。[C]太小，高頻波紋大。

圖9 C=600 nF時檢波輸出波形

圖10 C=900 nF時檢波輸出波形

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)教學在講解利用諧振回路的感性失諧、容性失諧特性實現(xiàn)頻率到幅度的變換輸出的波形和二極管包絡檢波正常檢波和惰性失真輸出波形特點時，給學生的直觀印象不深。而通過將Multisim仿真軟件引入課程教學，可以很形象地表達出波形的特點，豐富了教學內(nèi)容，學生的信心得到提高，加深了對理論知識的理解吸收，教學效果明顯改善。

參考文獻

[1] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim 10仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（18）：172?174.

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[3] 朱華光.Multisim 10在模擬電路實驗中的應用及研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（15）：92?96.

[4] 孫會麗.電路的分析方法[J].電子科技，2013，26（4）：162?164.

[5] 黃揚帆，甘平，劉曉，等.高頻電路實驗教學改革的探索[J].實驗室研究與探索，2011，30（7）：285?287.

[6] 張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7] 周天宏.高頻電子電路實臉設計經(jīng)臉與技巧[J].自動化與儀器儀表，2013（3）：177?180.

[8] 朱高中.基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實驗[J].實驗室研究與探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艷香，朱根生，劉志盼，等.基于Multisim高頻電子線路實驗平臺設計的探討[J].實驗室科學，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation

2 單失諧振幅鑒頻電路實現(xiàn)

圖4是單失諧振幅鑒頻電路。V1是幅值為6 V，中心頻率為1.2 kHz，調(diào)制信號頻率為100 Hz的輸入調(diào)頻波。[L1]和[C1]組成并聯(lián)諧振回路，實現(xiàn)頻率到幅度的線性變化。VD，[R]和[C]組成二極管峰值包絡檢波器，完成對FM?AM波的檢波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用來觀察輸入等幅調(diào)頻波和諧振回路輸出FM?AM波的波形，XSC2用來觀察FM?AM波和二極管包絡檢波輸出的波形。

圖4 單失諧振幅鑒頻電路

3 單失諧振幅鑒頻電路仿真分析

3.1 頻率?幅度變換分析

要實現(xiàn)頻率?幅度的變換，[L1]，[C1]組成的諧振回路應處于失諧狀態(tài)，那么就要求諧振回路的諧振頻率小于或者大于輸入調(diào)頻波的中心頻率1.2 kHz。

（1） 感性失諧分析

當[L1]=102 μF，[C1]=98 μF時，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為1.59 kHz，大于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路感性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖5所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?幅度變換的FM?AM波，實現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

（2） 容性失諧分析

當[L1]=200 μF，[C1]=230 μF時，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為0.74 kHz，小于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路容性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖6所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?調(diào)幅變換的FM?AM波，實現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

圖5 輸入調(diào)頻波和感性失諧輸出波形

圖6 輸入調(diào)頻波和容性失諧輸出波形

3.2 包絡檢波輸出

以感性失諧為例，當[R]=10 kΩ，[C]=50 nF時，在示波器XSC2觀察二極管包絡檢波器輸出波形如圖7所示。當[R]=10 kΩ，[C]=100 nF時，檢波器輸出波形如圖8所示。

圖7 C=50 nF時檢波輸出波形

圖8 C=100 nF時檢波輸出波形

從圖7和圖8波形的輸出可以看出，此時電路雖然都能夠檢波出FM?AM的包絡信號，但隨著逐步增加[C]的值時，輸出信號的高頻波紋變小，更加接近光滑曲線。繼續(xù)增大[C]的值，設[C]為600 nF，900 nF，檢波器輸出波形如圖9和圖10所示，可以看出，當逐步增加[C]時，二極管包絡檢波器產(chǎn)生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明顯。對比分析見表1（R=10 kΩ）。

表1 包絡檢波器仿真輸出對比表

通過仿真結(jié)果可以看出：

（1） 諧振回路在感性失諧和容性失諧時輸出的FM?AM波波形的異同，雖然都實現(xiàn)了頻率到幅度的變化，但是諧振回路感性失諧時，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化一致，即頻率高，幅值大；頻率低，幅值小；容性失諧時，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化不一致，即頻率高，幅值小；頻率低，幅值大。

（2） 利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負載[C]的充放電過程實現(xiàn)檢波，所以[C]的選擇很重要。[C]過大，則會產(chǎn)生惰性失真。[C]太小，高頻波紋大。

圖9 C=600 nF時檢波輸出波形

圖10 C=900 nF時檢波輸出波形

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)教學在講解利用諧振回路的感性失諧、容性失諧特性實現(xiàn)頻率到幅度的變換輸出的波形和二極管包絡檢波正常檢波和惰性失真輸出波形特點時，給學生的直觀印象不深。而通過將Multisim仿真軟件引入課程教學，可以很形象地表達出波形的特點，豐富了教學內(nèi)容，學生的信心得到提高，加深了對理論知識的理解吸收，教學效果明顯改善。

參考文獻

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[8] 朱高中.基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實驗[J].實驗室研究與探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艷香，朱根生，劉志盼，等.基于Multisim高頻電子線路實驗平臺設計的探討[J].實驗室科學，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation