基于Multisim仿真的通信電路調試課堂教學的改革

梁芳芳

廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520

通信電路調試是電子專業與通信技術專業中一門很重要的專業核心課程，涉及各方面的內容，電子線路多樣，數學公式多。傳統的教學是先對理論知識進行介紹，然后到實驗室進行有關的各個知識點驗證，再進行整體的電路系統項目的設計。在理論講授過程中，需要用到高等數學、電路分析基礎、模擬電子線路等前導課程的內容，所涉及的概念抽象，進行電路分析的過程中公式推導復雜煩瑣，使得整個課堂教學顯得單調枯燥，學生普遍有畏難情緒，形成了學生難學、厭學，教師難教、不愿意教的“兩難”局面，教學效果不如人意，因而課堂的教學改革已經勢在必行。在課堂教學過程中引進Multisim仿真技術，則很好地解決了這個問題。

1 Multisim仿真軟件概述

NI Multisim仿真軟件是由EWB（Electronics Workbench）仿真軟件演化而來，是美國國家儀器有限公司研發的電路模擬仿真軟件。其具備數量眾多的元器件數據庫，主要有各種型號的電阻、電容、電感等最基礎的元件，有與或非門等數字電路的各種TTI和CMOS門電路，還有數模轉換等其他小芯片I和CMOS數字IC、DAC、MCU及其他各種部件，還允許用戶通過軟件自帶的編輯器自行創建和修改所需各種元件模型。標準化的虛擬儀器儀表種類齊全，有常規用的測量電壓電流電阻的萬用表、觀察輸入輸出波形的雙蹤示波器及四通道示波器、提供各種信號波形的函數信號發生器、測量諧振回路曲線的掃頻儀、研究電信號頻譜結構的頻譜分析儀、分析數字系統邏輯關系的邏輯分析儀等，還有Aglient（安捷）示波器，Tektronix（美國泰克）示波器的專業測試儀器等。這些虛擬的儀器儀表的使用方法和現實工作中使用的儀器儀表相似，測量的相關數據也和真實儀器上看到的一樣，精確可靠。同時，其具有完備的分析手段，可以完成直流工作點分析、交流信號的工作分析、瞬時狀態的分析、信號失真分析、信號靈敏度分析等，能基本滿足各種電路分析的要求。NI Multisim將電路原理圖、功能測試仿真儀器和仿真結果匯聚到一個工作界面，結合直觀的捕獲和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地展示不同參數的結果。另外，其與NI LabVIEW和Singnal Express軟件的完美兼容，完善了現有的強大技術的設計流程，從而能夠在比較仿真數據和模擬數據時實現建模測量，具有圖形界面直觀、元器件庫豐富、儀器儀表齊全、修改參數方便、分析方法多等優點。

2 Multisim仿真技術在課堂教學改革中的實現

通信電路調試課程的內容包含了小信號調諧放大電路、高頻丙類功率放大電路、正弦波振蕩電路、線性的振幅調制與解調電路、非線性的角度調制與解調電路等。文章以小信號調諧放大電路的性能指標分析為例，演繹Multisim在通信電路調試課程課堂教學改革中的應用，主要方法是在課堂教學過程中穿插使用Multisim軟件，通過軟件中的各種元器件設計相關的電路，再使用軟件中所提供的各種虛擬儀器儀表對設計的電路進行參數測試，并輸出相應結果。通過這種直觀的仿真電路模型及虛擬儀器儀表所展現的數據圖像能幫助學生理解抽象的理論知識，從而獲得良好的課堂教學效果。

3 Multisim仿真技術在小信號調諧放大電路中的應用實例

小信號調諧放大電路居于模擬通信系統的前端，所有的無線信號通過天線進入電路系統時，首先要經過選頻網絡進行篩選，濾除無用的信號及噪聲，選取有用的信號并放大，再作進一步的傳輸。在學生學習該知識點的過程中，學生需要了解該電路的電路結構，分析該電路的工作原理，掌握該電路的性能指標。傳統的教學方法主要是利用大量的數學公式進行介紹分析，對于高職學生來說，這樣的教學過程枯燥煩瑣，令人昏昏欲睡，事倍功半。但是在課上引入圖文并茂的Multisim仿真技術，把理論知識融入仿真實驗，極大程度上引起了學生的學習興趣，強化了學習的效果。

分析小信號單調諧放大電路主要從選頻、電壓增益、通頻帶、矩形系數等方面進行。為了更好地幫助學生理解相關的內容，筆者利用Multisim 13軟件設計了小信號調諧放大電路，如圖1所示。選取輸入信號的頻率fi為1MHz，輸入信號的幅度Ui為1mV的有用信號V2為輸入的小信號，然后通過Multisim 13軟件所提供的虛擬儀器儀表分析電路的工作過程及其相關性能。

圖1 小信號調諧放大電路

（1）諧振頻率f0的測試分析。諧振是無線電路中的關鍵技術，當無線電接收機中調諧回路本身固有的振蕩頻率與無線電發射臺發射的振蕩頻率相同時，接收機就可以收到這個發射臺的無線電波頻率，這個過程也叫選頻。選頻是從所有的輸入信號中選取有用的頻率分量而抑制掉無用的頻率分量或噪聲，實現這一功能主要是靠電路中的LC諧振回路部分。在實際的電路中，諧振是指在由電阻R、電感L和電容C元件構成的交流電路中，調節電路元件（L或C）的參數或輸入信號的頻率?i，使輸入信號的頻率?i與LC諧振回路的固有頻率?0相等，電抗值X為零,阻抗值Z等于電阻值R，使LC諧振回路呈現純電阻性，即Z=R。則對于并聯諧振電路，諧振電路的表現是電路兩端的輸出電壓達到最大；而對于串聯諧振電路，諧振的表現是電路輸出的電流達到最大。LC諧振回路的諧振頻率?0計算公式如下：

實際的電路工程中小信號調諧放大電路的諧振回路采用的是LC并聯諧振，為了很好地演繹這一原理，在仿真電路中采用了可變電容C4和電感T1，并在輸出端連接了一個虛擬的頻率計數器觀察輸出的頻率（即并聯諧振電路的輸出頻率），同時連接虛擬的雙蹤示波器觀察輸入信號（V2）和輸出信號波形（即LC并聯諧振電路兩端的電壓波形）。根據諧振原理，并聯諧振電路發生諧振時，即頻率計顯示的頻率和輸入信號V2的頻率?i一致時，輸出電壓應達到最大，即示波器顯示輸出波形幅度最大。由于?0的值[見公式（1）]是由電容C4和電感T1決定的，調節電容C4可以改變?0的值。

經過仿真測試，當電容C4調節到占電容值9%時，頻率計顯示的頻率為999.561kHz，與輸入信號V2的頻率?i不一致，示波器顯示的輸出波形幅度為26.85Mv，如圖2（a）所示。當電容C4調節到占電容值10%時，頻率計顯示的頻率為1MHz，與輸入信號V2的頻率?i相一致，而示波器顯示的輸出波形幅度為32.14mV，相比圖2（a）所示的示波器的輸出波形幅度，顯示的幅度升高了，如圖2（b）所示。當電容C4調節到占電容值11%時，頻率計顯示的頻率為999.561kHz，與輸入信號V2的頻率?i（1M）不一致，但是和圖2（a）頻率計顯示的頻率是一致的，而示波器顯示的輸出波形幅度為28.39mV，又比如圖2（c）所示示波器的幅度降低了。通過3組直觀圖形及數值的對比分析，可見當電容C4占10%時，電路的頻率與輸入信號V2的頻率?i一致，且輸出的波形幅度達到最大，則此時的電路發生了諧振。

圖2 示波器顯示的輸出波形幅度

（2）諧振電壓放大倍數AUO的測試分析。電壓放大倍數AU是衡量放大電路對輸入信號的放大能力的指標，而諧振電壓放大倍數AUO是指電路發生諧振時所對應的放大倍數。由于小信號調諧放大電路采用的是LC并聯回路，當電路發生諧振時，輸出電壓達到最大。通過改變仿真電路中電容C4的占比，可以觀察到仿真電路示波器輸出波形的幅度變化，當示波器輸出波形的幅度達到最大時，電路達到諧振，記錄相關的數據u0和ui，然后通過公式（2）計算得到AUO。比較示波器所示波形幅度，當電容C4占10%時，電路發生諧振，頻率為1MHz，波形幅度達到最大值，UO圖2（b）=32.14mV，則其電壓放大倍數AU圖2（b）=32.14。當電容C4分別占9%和11%時，頻率計顯示的頻率同為999.561kHz，示波器所顯示的波形幅度也相近，相對應的電壓放大倍數分別為AU圖2（a）=26.85，AU圖2（c）=28.39。可見，當電容C4占10%時，波形幅度達到最大，電路諧振，其電壓放大倍數AU圖2（b）=32.14 為諧振電壓的放大倍數AUO。

（3）通頻帶BW的測試分析。通頻帶用于衡量某一放大電路在不同工作頻率信號條件時的放大能力。放大電路中的核心器的三極管有自己特定的工作頻率范圍，而且由于電路中其他電容、電感等電抗元件的存在，當輸入信號頻率不在這個工作頻率范圍時，過高或者過低都會引起放大倍數的幅度值下降，并產生相移。電路中的通頻帶BW越寬，表明該放大電路對不同頻率信號的適應能力越強；通頻帶BW越窄，則表明電路對如圖3所示諧振曲線工作的中心頻率選擇能力越強。當諧振曲線幅值下降到最大值的0.707倍位置時，或者最大值降低3dB時，會有兩個對應的頻率值，分別是ω2（上限頻率?H）和ω1（下限頻率?L），則由公式（3）可以計算出通頻帶BW值。

圖3 諧振曲線

為了更好地理解這一知識點，在仿真電路中連接了用于測量幅度頻率特性的虛擬儀器波特圖測試儀(XBP1)來幫助分析。當幅度值為最大值30.156dB，顯示頻率為1.003MHz，與輸入信號的頻率?i一致時，說明電路發生了諧振，如圖4所示；當頻率逐漸減少到936.722kHz，幅度值為27.108dB，相當于最大值下降了約3dB時，由定義可知此為通頻帶的下限頻率fL，如圖5所示；當頻率逐漸上升，經過了諧振點，幅度達最大值，頻率繼續上升，幅度值又開始下降，在達到27.108dB，即最大幅度值下降了約3dB，頻率為1.083MHz時，這個頻率點由定義可知為通頻帶的上限頻率fH，如圖6所示。根據公式（3），可以計算出此電路的通頻帶值BW=1083-936=147kHz。

圖4 峰值圖

圖5 下限頻率fL

圖6 上限頻率fH

4 結束語

綜上所述，在課堂上利用Multisim仿真技術，使得對小信號調諧放大電路知識點的介紹更形象生動了，而且課堂上還可以讓學生即時自行操作使用軟件進行驗證，使理論與實踐深度融合，提高了學生的學習興趣。可見，在通信電路調試課程的課堂教學過程中使用Multisim仿真軟件，一方面，在課堂上進行仿真實驗演示電路的工作過程直觀明了，使課堂不再單調沉悶，使學生對通信電路的信號、工作過程及功能的實現有直觀的感性認識，提高了學生的學習興趣和學習效率；另一方面，學生利用仿真軟件進行電路的建模、仿真、調試，加深了對知識的理解，為下一步實際電路的實訓做好了準備。可以預見，傳統教學與仿真教學的結合將會被越來越多的教師使用，被越來越多的學生接受。