Multisim 10在高頻電路實驗教學中的應用研究

李 強

安慶師范大學 安徽安慶 246011

Multisim 10在高頻電路實驗教學中的應用研究

李 強

安慶師范大學 安徽安慶 246011

高頻電子技術是電子信息專業一門理論性與實踐性非常強的課程。針對傳統實驗教學的不足，分析了應用計算機仿真教學的必要性，并用實例介紹了Multisim在諧振功率放大器實驗教學中的應用。實踐表明，通過引入Multisim仿真實驗教學，可使實驗更加靈活，對全面提高實驗教學質量起到了良好的促進作用。

高頻電路實驗；Multisim仿真；諧振功率放大器

高頻電子技術課程以通信整機為主線，介紹了高頻信號的產生、放大、變換處理等功能電路。它的理論比較抽象，分析方法也多樣化，是一門工程性和實踐性都非常強的專業課程。與之相應的實驗課程，不僅要能使學生加深對理論知識的理解，而且還要能在實驗課程中培養學生的創新能力和實際動手能力。因而對于高頻實驗課程的教師來說，不斷探索和改進教學方式，以達到最好的教學效果，就是擺在面前的重要任務。

1 高頻電子技術實驗中存在的問題

現在普遍使用的高頻實驗設備是針對實驗內容設計好的實驗箱，實驗內容以驗證性實驗為主。這種實驗的特點是具有直觀性和實踐性，它為學生提供了一個從理論走向實踐的機會，鍛煉了學生的動手能力。由于高頻電子技術這門課程自身的特點，采用這種實驗箱的硬件實驗也有明顯的缺點。

(1)由于受測試手段和儀器精度所限，有些理論在硬件實驗中難以得到驗證，例如正弦波振蕩器的起振過程，混頻器的頻譜結構等。這些非線性電子線路的理論知識非常不易被學生理解，而又無法通過硬件實驗觀察。

(2)由于高頻信號受外界環境及操作過程的影響比較嚴重，實驗經常不能達到預期的效果。對于高頻電子線路來說，外界的干擾以及分布電感和分布電容對電路影響非常大，因此在硬件電路的調試過程中，對電路參數的修改以及元件的更換都非常煩瑣，花費大量時間，影響到實驗效率，學生不能按課時完成實驗。

(3)由于實驗儀器設備的多年反復使用，高頻電路實驗設備完好率不高，導致實驗結果很可能出現不明顯、甚至不準確的現象。例如中頻變壓器中的磁芯非常容易調壞，這樣就影響到高頻小信號放大器、諧振功率放大器實驗的結果。

由于高頻電子技術實驗不好做，得不到理想的實驗結果，這樣就造成學生信心不足，對高頻實驗產生畏難心理，影響了整個高頻電子技術課程的教學效果。因此在高頻實驗教學中引入其他輔助方式，如計算機仿真就顯得很有必要。

2 Multisim仿真軟件的特點

Multisim 10是美國國家儀器有限公司(NI公司)最新推出的一款原理圖捕獲和交互式仿真軟件，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現了“軟件即元器件”“軟件即儀器”。Multisim 10的元器件庫提供數千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數可以從生產廠商的產品使用手冊中查到，并將它們集合為一體對電路進行仿真測試。Multisim包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。

在高頻電子線路仿真實驗的教學中，先應根據電路的要求和其工作原理設計正確的原理圖；然后根據原理圖在Mutisim工作區創建仿真電路，設置電路參數；再調出虛擬示波器、萬用表及頻譜分析儀對電路進行時域和頻域的分析處理，確定電路性能。根據電路的要求分析輸出波形是否正確，如果仿真結果不正確，檢查參數設置情況，然后再進行仿真分析，直到輸出的波形和理論波形完全符合要求為止。仿真實驗教學流程圖如圖1所示。

圖1 Multisim仿真實驗流程圖

3 基于Multisim的諧振功率放大器仿真

諧振功率放大器工作于丙類狀態，是一種非線性電路。諧振功率放大器的工作狀態、輸出功率及效率等都與集電極負載回路的諧振電阻、輸入信號的幅度Ubm、基極偏置電壓VBB以及集電極電源電壓VCC等的大小密切相關。學生實驗中主要是調節這些等參數來觀察集電極電流iC形狀的變化，以此研究這些參數對諧振功率放大器的3種工作狀態性能的影響。由于受實驗箱元器件等多種因素的影響，學生在實驗箱上有時反復調試也很難觀察到結果。而使用Multisim仿真，通過調節相關元件的參數可以非常方便地觀察到結果。

在Multisim工作區創建高頻諧振功率放大器電路，仿真電路圖如圖2所示。該放大器的基極偏置電壓是利用發射極電流的直流分量在射級電阻上產生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。它的優點是利用Re上產生的直流負反饋作用，自動維持放大器的穩定工作。缺點是由于Re上建立了直流偏壓，減小了電源電壓的利用率，所以，Re不宜取得過大，以免影響放大器的輸出功率。為方便用示波器顯示集電極電流波形，在發射極上又加了一交流負反饋小電阻Rf，這樣可以通過測量Rf上的電壓間接顯示電流波形。集電極直流饋電采用串饋形式。L，C，Cj和負載電阻RL構成并聯諧振回路。然后添加了虛擬示波器和信號源，并使輸入信號的頻率為所需要的頻率比如10.7 MHz，輸入信號振幅為450 mV。通過微調可變電容Cj，并用虛擬示波器觀察放大器的輸出電壓，使諧振功率放大器工作于諧振狀態。

圖2 諧振功率放大器仿真實驗電路

當信號源輸入幅度為500 mV時，觀察集電極電壓的波形和發射極電阻上的電壓波形如圖3和圖4所示。由圖4可知，集電極電流的波形為無失真的尖頂余弦脈沖，可判定諧振功率放大器工作在欠壓狀態。當信號源輸入幅度為660 mV正弦信號時，觀察發射極電阻上的電壓波形如圖5所示，波形變成凹頂脈沖，說明諧振功率放大器工作在過壓狀態。小心調整信號源輸入幅度，觀察發射極電阻上的電壓波形，可取諧振功率放大器處于臨界狀態時的信號源輸入幅度為600 mV。

圖3 集電極輸出電壓波形

圖4 欠壓狀態時集電極電流波形

圖5 過壓狀態時集電極電流波形

在仿真時，還可以通過改變集電極電源電壓，發射極電阻以及集電極負載回路的電阻參數來觀察集電極輸出電壓幅度和集電極電流的變化情況。另外，也可以在仿真電路中接入瓦特計測量出輸出功率和直流功率，計算出效率。學生通過Multisim仿真實驗，并與書中相關結論作對照，加深了對諧振功率放大器的理解，取得更好的實驗效果。

4 結束語

通過引入Multisim計算機仿真實驗，可以實現與傳統的高頻電子線路實驗箱實驗模式的優勢互補。學生在Multisim仿真實驗中對各種電子器件進行研究，借助仿真軟件對其進行分析、計算、搭建各種電路模型，在計算機上仿真出類似于實際電路的數據和相應波形。 這樣學生實驗可以不受地點和實驗設備的限制，它給學生以極大的創造空間，強化了學生在教學活動中的主體地位，可以使學生在實驗中得到更好的綜合能力訓練，更加有利于學生創新能力的培養。

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Research on Application of Mutisim 10 in Experiment Teaching of High-frequency Circuits

Li Qiang
Anqing Normal University, Anqing, 246011, China

For the deficiency of traditional experimental teaching, this paper analyzes the necessity of the application of computer simulation teaching, and introduces the application of Multisim in the experimental teaching of resonant power amplifier. Practice shows that, by introducing Multisim simulation experiment, experiment can be more flexible and played a good role in improve the quality of teaching experiment.

high-frequency circuits experiment; Multisim simulation; resonant power amplifier

2016-03-29

李強，碩士，副教授。