基于MATLAB/GUI的調諧放大器虛擬仿真平臺設計

摘要：位于接收機前端的選頻放大模塊是模擬通信系統中非常重要的一環，但它的分析又較為復雜。為了提高學生學習調諧放大器的效果，基于MATLAB，運用圖形可視化工具——圖形用戶界面（GraphicalUserInterface，GUI）設計了界面簡潔、使用方便的調諧放大器仿真平臺，使用時只需要輸入諧振回路的相關參數，就可以得到單調諧、雙調諧以及多級單調諧的通頻帶以及幅頻特性等參數。該平臺具有圖文清晰，操作簡單，參數調節靈活等特點，方便學生更加快速掌握調諧放大器相關知識。

關鍵詞：調諧放大器仿真MATLABGUI

中圖分類號：文獻標識碼：

Design of a Virtual Simulation Platform for Tuned Amplifiers Based on MATLAB/GUI

DOUMingyingHEXiaoqinWANG WeibinYANG Bin

（Xi’anMingde Institute of Technology ，Xi’an， Shaanxi Province ，710124 China）

Abstract： In the analog communication system， the frequency-selective amplification moduleat the frontend of the receiver is a very important part， butits analysis is relatively complex. In order to improve the learning effect of studentson tuned amplifiers， a simulation platformthat has a simple interface and is easy to usefor tuned amplifiersis designed by theGraphical UserInterface（GUI） based on MATLAB，which only needs to input the relevant parameters of the resonance circuittoobtainparameters such as single-tuned， double-tuned and multi-level single-tuned passbands and amplitude-frequency characteristics. This platform has thecharacteristics of cleargraphics and texts， simple operationandflexible parameter adjustment， which is convenient for students to quickly master the relevant knowledge of tuned amplifiers.

Key Words： Tuned amplifier；Simulation；MATLAB；GUI

在無線電技術中，經常會遇到很弱且伴有干擾的接收信號，此時便需要將有用信號放大的同時，把其他無用或干擾信號抑制掉，而高頻電子線路的調諧放大器便可完成該需求[1-3]。調諧放大器是一種以諧振回路作為負載的電子放大器，它具有增益高和頻率選擇性好的特性，因其特殊的幅頻特征一般廣泛用于各種無線通信系統的接收機中。

調諧放大器作為高頻電子線路，甚至通信系統的重要知識點，從以往的教學經驗來看，不僅受實驗環境、儀器設備、實驗電路性能不穩定等多方面的限制，同時調諧放大器又涉及較為復雜的公式推導和非線性分析，單純理論推導的教學效果往往不佳。為了降低課程學習的難度、提高課堂教學的效率，國內外高校相繼應用各種硬件電路仿真軟件對高頻電子課程中的一些重要內容進行驗證和仿真，收到了較好的效果[4-6]。但是，這些仿真方法對于電路參數的顯示以及參數變化導致電路性能變化不夠直觀明了。

基于此，本文在面向對象設計思想的指導下，通過在 MATLAB上對不同類型的調諧放大器進行設計，并對電路性能進行分析及比對。通過MATLAB 圖形用戶界面（Graphic Userinterface，GUI）設計一款調諧放大器虛擬仿真實驗平臺，不僅能夠實現高頻小信號的篩選、放大等基本功能，同時還能實現電路參數的可視化、信號數據可輸入/輸出、結果圖文顯示等功能[7]。利用該平臺，學生可以自定義相關參數、操作環境和放大器類型，進行數值模擬，并對結果進行分析和對比。該虛擬仿真實驗平臺不僅能夠幫助師生在課堂上能以交互的方式對課程中的復雜分析進行實時仿真，并以圖形的方式顯示仿真結果，有助于教師對相關概念的講解和學生學習理解，為調諧放大器甚至高頻電子線路這類概念抽象、分析復雜的課程可視化教學提供了有益的嘗試，提高課程的教學效果。同時，也能增加學生學習的興趣，為后續持續深入學習打好前站。

1調諧放大器設計原理

調諧放大器是以LC諧振回路為負載的放大電路，有串并聯之分，主要功能就是將天線接收到的高頻小信號進行選頻、放大，其中，放大功能主要由三極管來完成，而選頻部分涉及幅頻曲線、通頻帶、矩形系數等調諧放大器的性能指標則主要由LC諧振回路來完成[1-3]。因此，對調諧放大器的研究主要針對的是LC諧振回路，本文的理論分析以及后續的仿真設計均以并聯型LC調諧回路為例做研究。

以一個LC諧振回路作為負載的即為單調諧放大器，它的諧振頻率f0僅由諧振回路的電感L和電容量C決定，不受其他因素干擾，其表達式如式（1）所示。此外，一般用品質因數Q來衡量電路特性，空載時為Q0，若在并聯諧振回路等效電阻Rp并連一負載電阻Rc時，此時的品質因數即為有載品質因數Qc，其表達式如式（2）所示。對調諧放大器增益分析時，為了簡化三極管參數的影響，常用歸一化幅度α來研究其幅頻特性，由式（3）可知，單調諧放大器的幅頻特性受諧振頻率和品質因數影響。選頻電路另一個重要指標參數是通頻帶BW，它決定我們的信號是否能完整無缺的進入電路，其大小與品質因數和諧振頻率相關，由式（4）可知，該參數同樣受諧振頻率和品質因數的影響。

f_0=1/（2π√LC）（1）

{（Q_0=Rp/ωL=RpωC=Rp√（C/L）@Q_C=（R_p//R_C）/ωL=（R_p//R_C）ωC=（R_p//R_C）√（C/L））┤（2）

α_單=[1+（2Q Δf/f_0 ）^2 ]^（-1/2）（3）

BW_單=f_0/Q（4）

單調諧放大器是調諧放大器的基礎，在此之上，還有更復雜的雙調諧回路、多級調諧放大器、調參放大器等。為了簡化雙調諧放大器的分析，一般默認兩個LC回路的參數和結構都是一致的，根據張肅文[3]研究可知，它們的諧振頻率和品質因數不變，但幅頻特性因為耦合系數η的不同，在強耦合（η>1）、弱耦合（η<1）以及臨界耦合（η=1）時的各不相同，因強耦合和弱耦合的通頻帶研究復雜些，因此通頻帶一般特指臨界耦合時，其表達式見式（5）和式（7）。此外，考慮耦合電路的多樣性，在本系統設計中，雙調諧放大器僅考慮常用的電容耦合，其他耦合方式不做研究。

α_雙={（（1+η^2）/√（（1-ξ^2+η^2 ）^2+4ξ^2 ）（當η<1時）@2/√（4+ξ^4 ）（當η=1時）@2η/√（（1-ξ^2+η^2 ）^2+4ξ^2 ）（當η>1時））┤（5）

其中：η=Q*Cm/C（6）

BW_雙=（√2 f_0）/Q（7）

分析多級調諧放大器時，也為了簡化分析，一般默認每一級的單調諧放大器均一致，因此當m級相同的單調諧放大器級聯時，根據張肅文[3]可知，它的幅頻特性曲線和通頻帶表達式見式（8）、式（9）。

α_多級=[1+（2Q Δf/f_0 ）^2 ]^（-m/2）（8）

BW_多級=√（2^（1/m）-1） f_0/Q（9）

2設計思路與功能介紹

以高頻電子線路課程的主要內容——調諧電路為主，利用MATLAB軟件進行仿真。同時通過軟件自帶界面設計模塊 GUIDE，即GUI，對調諧放大電路虛擬仿真實驗教學平臺進行研究與實現。設計一個界面簡潔友好、操作方便的圖形用戶界面，讓此次設計的操作界面變得更加簡潔高效，更好地實現人機交互。總體設計思路如下。

（1）對高頻電子線路課程中調諧放大器的知識點進行梳理和甄選，從中選取適合用于該平臺軟件的內容，即單調諧放大器、雙調諧放大器以及多級調諧放大器。對所選取的內容在表現形式，如教學演示電路、可對參數進行自定義型、具體電路類型等內容對其進行分類。

具體包括：針對單調諧、雙調諧以及多級調諧進行仿真設計，通過建立3種放大器的數據模型，得出了LC諧振回路的參數、負載電阻R、耦合電容Cm以及級聯級數m和該放大器的諧振頻率、帶寬、幅頻特性的關系。

（2）對每個小模塊進行底層編程，再利用MATLAB的GUI 編寫每個小模塊對應的 Callback函數。

（3）清晰的可視化界面，平臺界面除了詳細、具體的數據，還有原理圖及仿真圖（特指電路幅頻特性曲線）的展示。

（4）平臺各模塊及所有數據的清除，方便更改數據。

軟件流程如圖1所示，仿真平臺打開界面和清除數據界面如圖2所示。界面中心區域為“功能設置”區域，包含有單調諧、雙調諧、多級調諧以及清除數據四個對應不同的電路及運算的選項。初始化后，除了默認值，其他參數均為0，當點擊“清除數據”后，所有數據歸0。

為了更方便直觀的分析電路，在界面左側的“電路原理圖”區域對所選電路的原理圖進行展示。在界面下方的“電路參數”區域可根據需要對諧振回路的L、C、負載電阻RC以及耦合電容Cm（僅針對雙調諧放大器）等參數自行輸入，諧振回路級聯數m默認值為1，回路的等效電阻Rp默認值為50Ω。同時，在該區域也包含經計算后的諧振頻率f0、品質因數Q以及通頻帶BW等參數并輸出、顯示。在界面右側根據式（3）、式（5）、式（7）繪制了相應電路的幅頻特性曲線。

3仿真平臺運行結果與分析

3.1 單調諧放大器的虛擬仿真

參數設置為：L=2μH，C=15pF，RC=1 kΩ，級數為默認初始值1，然后在功能設置區域點擊“單調諧”。此時界面左側顯示單調諧放大器原理圖，根據前面公式（1）-（4）計算得知f0約為0.919MHz、Q約為4.124以及BW約為0.223MHz，同時該電路的歸一化幅頻曲線如圖3（a）右上角所示。

當諧振回路的L和RC不變，增加C值時（C=47pF），如圖3（b）所示，對比圖3（a）可知隨著C值增大，f0減小，而Q增加，BW減少，幅頻特性曲線變陡峭，選擇性更好，當諧振回路的L和C不變，增加RC值時（RC=10 kΩ），如圖3（c）所示，對比圖3（b）可知隨著RC增加， f0不變，但同樣使Q增大，BW減少，幅頻特性曲線更加陡峭，選擇性也更加好。

3.2雙調諧放大器的虛擬仿真

參數設置為：L=2μH，C=15pF，RC=1 kΩ，Cm=2 pF，級數為默認初始值1，在功能設置區域點擊“雙調諧”，此時界面左側顯示雙調諧放大器原理圖。根據前面公式（5），Cm通過影響η而改變雙調諧放大器的幅頻特性曲線。結合公式（6）及所選參數，可知當Cm=3.637 3時，η=1。當Cm小于此值時，η<1，雙調諧放大器為弱耦合，幅頻曲線呈單峰，如圖4（a）所示。隨著Cm增大（Cm=3.637 3 pF，Cm=7 pF），η逐漸增大（η=1，η>1），雙調諧放大器變為臨界耦合和強耦合，出現如圖4（b）的臨界耦合和圖4（c）為強耦合，臨界耦合時，在諧振點處電路增益最大，在諧振點處的歸一化幅值為1。強耦合時，此時幅頻特性曲線呈駝峰狀，電路增益最大在與諧振點呈對稱的兩處，且Cm越大，在諧振點處下凹越大。

3.3 多級單調諧放大器的虛擬仿真

參數設置為：L=2μH，C=15pF，RC=1kΩ，級數m=3，功能設置區域選擇“多級調諧”，在界面左側顯示以2級為例的多級單調諧放大器原理圖。參數根據前面公式（8）和（9）可知，級數直接影響調諧放大器的幅頻特性及通頻帶，結果如圖5（a）所示，增加級數m為5時，結果如圖5（b）所示。將圖3（a）與圖5進行對比，可以清晰的看到幅頻曲線隨著m增加而變得陡峭，選擇性也得到改善，但BW銳減。

4結語

本文完成了基于MATLAB/GUI的調諧放大器虛擬仿真實驗平臺設計，實現了單調諧、雙調諧以及多級單調諧放大器的數值模擬和結果可視化。該虛擬仿真實驗平臺具有易實現、參數設置簡單、運算快捷準確、可視化效果良好等優點。將其用于高頻電子線路等課程中，有助于學生對調諧放大器的理解；同時學生可以自行修改相關參數，對計算的結果進行分析和對比，提高學習興趣；最后，學生也能夠學習到 MATLAB 在數值求解中的應用和GUI的編程設計，具有很高的教學實用價值。

參考文獻

[1] 曾興雯，劉乃安，陳健，等.高頻電子線路[M].3版.北京：高等教育出版社，2022.

[2] 高如云，陸曼如.張企民，等.通信電子線路[M].4版.西安： 西安電子科技大學出版社，2022.

[3] 張肅文.高頻電子線路[M]. 5版.北京：高等教育出版社，2011.

[4] 孫慧霞，周上楠，周玲，等.基于MATLAB GUI的數字信號處理仿真平臺開發[J].電子科技，2021，34（2）：74-78

[5] 趙志欣，溫俊，劉俊杰.基于MATLAB GUI的信息論與編碼教學演示平臺設計及實現[J].實驗技術與管理，2021，38（7）： 181-185

[6] 蔡嘉麗，虞湘賓.基于MATLAB GUI的調頻擴頻通信系統實驗教學平臺設計[J].中國教育技術裝備，2021.14：28-34.

[7]陳曉娟.電路分析仿真平臺的GUI設計[J].設備管理與維修，2021（9）： 135-137