Multisim在測試技術課程教學中的應用實踐

摘" 要" 測試技術課程是一門實踐性很強的電類專業基礎課程，在學習電路工作原理的基礎上運用Multisim仿真軟件構建電路仿真模型，仿真并實時演示電路的動態工作過程。進一步通過引導學生改變電路模型中的相關參數，通過觀察、分析電路特性與電路參數之間的關系，使學生加深對電路基本原理的理解，起到較好的教學效果。

關鍵詞" 測試技術；Multisim；鎖相環

中圖分類號：E251.3" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）03-0015-03

0" 引言

測試技術是高等學校電類專業一門重要的課程，是對多門基礎電類課程，如模擬電子技術、數字電子技術、電路分析、傳感器技術等知識的綜合與深化，涉及內容較廣。與基礎電類課程相比，測試技術課程更加貼近應用實際，具有很強的實踐性，因此，授課時應注重理論與實踐的相互融合才能激發學生的自主學習和研究興趣，提升學習動力，提高創新意識，增強學習效果。

傳統的基于實物的測試技術課程實驗一般流程為：實驗準備→理論講解→學生實驗→總結講評，雖然基于實物的課程實驗更接近實際，但也存在缺點：一是需要大量的實驗器材準備和收尾工作；二是如果操作不當，可能造成器件損壞或人身傷害；三是實驗過程中，更改試驗方案或更改實驗元器件參數比較煩瑣；四是受各種因素限制，實驗設備和元器件更新較慢，不能緊跟最新技術的快速發展。而仿真軟件可以很好地解決這些問題，學生先將設計好的電路在仿真軟件上進行搭建、仿真驗證，并根據仿真情況對電路進行調整[1]。在仿真效果較好的情況下，后續再引導學生進行實際電路的搭建和調試。實驗與仿真軟件的結合，是電類課程實驗教學未來的發展趨勢[2]。

Multisim是一款專用電路設計仿真軟件，功能豐富、使用簡單、操作方便，因此得到了廣泛的應用。它擁有豐富的電子元器件庫，可以自行下載添加最新電子器件，還提供了種類豐富的標準化仿真儀器，如萬用表、示波器、邏輯分析儀、字發生器、函數發生器、波特圖測試儀等，大大提升了實驗的自主性和拓展性[3-4]。

1" 仿真實驗電路

測試技術課程的電路與實際應用結合緊密，涉及放大電路、濾波電路、信號變換電路、數據采集電路、信號產生電路等。與基礎電學課程僅限于理論研究不同，應用類電學課程講授時，還要考慮到電路的實際應用需求，如對電源、電壓、電流、時間、體積、大小、成本等方面的實際要求。下面以鎖相環（Phase Locked Loop）電路為例，探討Multisim仿真軟件在測試技術課程電路仿真實驗中的應用。

鎖相環的概念比較抽象，涉及新的概念和比較復雜的數學分析。因此，無論是對于教師授課還是學生理解都有一定難度。將Multisim仿真引入鎖相環課堂教學和課程實驗，有助學生理解和掌握相關內容，可為后續相關課程的學習打下良好基礎。

鎖相環是一個使輸出信號（由振蕩器產生的）與參考信號或者輸入信號在頻率和相位同步的電路。在同步（通常稱為鎖定）狀態，振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為零，或者保持常數[5]。鎖相環實際上是一種自動相位控制系統，廣泛應用于通信、雷達、導航以及各種測量儀器中。比如雷達探測目標時，雷達接收機微波本振為壓控振蕩器，其振蕩頻率要求與目標回波信號的頻率比較接近，這樣當雷達接收機接收到目標回波信號時能快速鎖定，大大縮短目標回波鎖定時間，雷達接收機微波本振的實現就采用了鎖相環電路。鎖相環電路原理框圖如圖1所示。

鑒相器實際上是一個乘法器，它用于比較輸入信號fi和反饋信號fc的相位（頻率），輸出與兩者相位差成比例的誤差信號（包含fi+fc和fi-fc頻率成分）。環路濾波器具有低通特性，可以起到低通濾波器的作用，更重要的是它對環路參數調整起著決定性作用。環路濾波器會濾除鑒相器輸出的信號中的高頻分量和噪聲，起濾波平滑作用，以保證環路穩定和改善環路跟蹤性能，最終輸出控制電壓到壓控振蕩器，控制其輸出頻率。環路濾波器是一個線性電路，常用的環路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器三種。

環路鎖定時，輸入信號fi和反饋信號fc的相位差保持不變（即頻率相等），鑒相器輸出頻率穩定的信號（頻率為fi+fc），經低通濾波后輸出恒定直流電壓，控制壓控振蕩器輸出穩定的頻率fo，頻率值取決于反饋網絡的電路特性。如果反饋網絡為一個1/N分頻網絡，則fo=Nfc=Nfi[6]。為了研究方便，此處取反饋網絡的電路特性為N=1，則fo=fc，即通過導線直接將壓控振蕩器的輸出端與鑒相器的輸入端相連。

如果在環路工作過程中，壓控振蕩器輸出頻率fo與輸入信號頻率fi不同，則兩信號之間的相位差始終在變化，導致鑒相器輸出的誤差信號中所含的頻率成分不斷發生變化。低通濾波器輸出也在不斷變化，隨著fo與fi頻率的逐漸接近，環路濾波器隨之發生變化，壓控振蕩器的輸出頻率隨之變化。當壓控振蕩器的輸出頻率逐漸變化到與輸入信號頻率相等時，鑒相器輸出頻率穩定（fi+fc）的波形信號，經環路濾波器后輸出穩定的直流信號，控制壓控振蕩器的輸出頻率不再發生變化。同時，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻率差變為零，相位差不再隨時間變化，誤差電壓也固定下來，此時環路相當于進入“鎖定”狀態，故稱為“鎖相環”。

鑒相器和環路濾波器是鎖相環中的兩個關鍵環節，其電路特性會對鎖相環的特性產生較大影響。學生比較難理解的是鑒相器增益和環路濾波器的參數變化對整個鎖相環路特性的影響。

2" 實驗電路仿真

2.1" 實驗目的

1）認識和理解鎖相環電路的不同組成模塊。

2）運用仿真實驗，觀察不同模塊的輸出波形，幫助學生理解鎖相環電路中各組成模塊的功能。

3）通過改變電路參數改變鎖相環路的阻尼系數，幫助學生正確理解阻尼系數對鎖相環電路的影響，使其能夠根據要求定性地對電路參數進行調節。

2.2" 電路設計

根據圖1原理框圖設計的鎖相環仿真電路如圖2所示。為了使學生注重于鎖相環中各環節的主要作用和特性，圖2中的鑒相器和壓控振蕩器采用了模塊電路，這樣在進行電路仿真實驗時，只需設置鑒相器和壓控振蕩器的增益即可。圖中的A1為鑒相器，其輸出增益為3。環路濾波器由兩部分組成，一部分是由R1、C1組成的無源低通濾波電路，一部分是由R2、R3、R4、C2和U2組成的比例積分低通濾波電路，加入無源低通濾波電路可以更好地抑制高頻信號，使環路濾波器的輸出更平滑，尤其是在鑒相器的增益比較大時。

圖2所示的環路濾波器的直流增益為106 dB，上限截止頻率為45 mHz，對圖2所示鑒相器輸出的“和信號”（2.4 MHz）的增益為-31.9 dB。壓控振蕩器的輸出頻率設置在0.5～1.5 M之間。

2.3" 電路仿真

按圖2所示搭建好仿真電路后，啟動電路仿真。用示波器可觀察到鑒相器和環路濾波器的輸出波形如圖3所示。

由圖3可以看出，鑒相器輸出信號開始一段時間差頻信號比較明顯，經過環路的捕獲作用后，鑒相器輸出信號中的低頻分量的頻率越來越小，最終趨向于直流信號，此時鑒相器輸出頻率穩定的“和信號”（2.4 MHz），經環路低通濾波后，控制信號趨向于直流信號。輸入信號和輸出信號的頻率一開始不同，隨著環路的工作過程的推進，輸出信號和輸入信號之間的頻率和相位不斷朝著頻差縮小的方向變化。經過一定時間的環路捕獲之后，兩者之間的頻率相同，相位差恒定，符合正弦型鎖相環的基本特征。圖2所示參數情況下，鎖相環電路的環路穩定時間約為430 μs，穩定時環路濾波器的輸出紋波電壓為42 mV，最高過沖電壓為2.66 V。

2.4" 鑒相器的進一步探索

根據鎖相環理論公式，鎖相環路的阻尼系數直接影響整個鎖相環的瞬態特性。如果阻尼系數過大，環路的低通濾波性能較差，過沖增大，但捕獲時間較快。如果阻尼系數太小，低通濾波性能較好，則捕獲時間將加長。而鑒相器的增益和環路濾波器的電阻、電容值選擇可直接影響鎖相環路的阻尼系數。

電路仿真時，通過改變鑒相器的增益和環路濾波器的電阻、電容值，可以改變鎖相環的阻尼系數。將圖2中鑒相器的增益改為5，增大鎖相環的阻尼系數。啟動電路仿真，得到如圖4所示的鑒相器和環路濾波器的輸出波形。此時，鎖相環電路的環路穩定時間約為174 μs，穩定時環路濾波器的輸出紋波電壓為54 mV，最高過沖電壓為2.80 V，驗證了阻尼系數對鎖相環的影響。

引導學生改變環路濾波器參數，進而改變鎖相環阻尼系數，仿真并觀察、對比波形，進一步驗證鎖相環理論公式，使學生對鎖相環路各環節電路參數的調整對鎖相環的影響，有更加深刻的理解和認識，強化鞏固所學的理論知識。進而引導學生聯系實際，對于需要快速進入頻率鎖定狀態的鎖相環電路，如雷達探測系統，可以通過適當調節鎖相環路各環節的電路參數，增大阻尼系數來滿足要求。對于需要環路濾波器輸出過沖較小，且環路穩定時間要求不高的場合，可以通過改變電路參數、減小鎖相環的阻尼系數來滿足要求。這只是對電路參數進行定性調整，對學有余力的學生，可以引導他們結合實際問題，根據鎖相環路傳遞函數對電路參數進行精確調整，充分發揮他們的主觀能動性，獲得解決問題的成就感，進一步激發他們的學習動力。

3" 結束語

通過在測試技術課程中引入Multisim軟件，構建電路仿真模型，結合現場電路動態過程，對仿真波形中的關鍵數據結合相關理論知識進行講解，可加深學生對所學電路知識基本原理的理解。通過引導學生調整電路參數，仿真并觀察波形變化，不但可以提高學生的學習興趣，而且可以通過對比加深學生對一些結論的掌握，起到了良好的教學效果。

4" 參考文獻

[1] 李海娜，陳源，劉祥民.“電路”課程教學改革的探索與實踐[J].中國電力教育，2014（21）：8-9.

[2] 王德龍，弓美桃，鄭曉霞.“模擬電路”課程無穩態多諧振蕩電路的故障仿真分析[J].工業和信息化教育，2022（10）：90-94.

[3] 杜先君.Multisim在電子設計實踐課程教學中的應用[J].電子世界，2015（21）：28-29.

[4] 顏芳，宋焱翼，謝禮瑩，等.基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理，2013，30（5）：59-62.

[5] 黃智偉.鎖相環與頻率合成器電路設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008：5-6.

[6] Roland E. Best.鎖相環設計仿真與應用 [M].5版.李永明，王海永，肖珺，等.北京：清華大學出版社，2007：94-96.