Multisim11.0在高頻電子線路教學(xué)中的應(yīng)用

高 凡 李 云 莫禾勝

(桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

高頻電子線路是電子信息工程、遙感遙測(cè)、通信工程等專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力要求較高，是學(xué)生普遍感到難學(xué)的課程之一。由于近年來(lái)教學(xué)改革使課堂學(xué)時(shí)一度減少，給教學(xué)帶來(lái)較大的壓力，將軟件仿真應(yīng)用在教學(xué)過(guò)程中，緩解了教學(xué)內(nèi)容多而教學(xué)學(xué)時(shí)少的這種矛盾，學(xué)生可以很方便地把學(xué)到的理論知識(shí)通過(guò)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，做到變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)興趣起了很大的作用[1-3]。

1 Multisim 11.0簡(jiǎn)介

Multisim11.0的前身是加拿大圖像交互技術(shù)公司(Interactive Image Technoligics簡(jiǎn)稱IIT公司)于1988年推出的用于電子線路設(shè)計(jì)和仿真的EDA工具軟件[4]。被美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（National Instruments簡(jiǎn)稱NI公司）收購(gòu)后，更名為NI Multisim ，而V11.0是其推出的Multisim最新版本。該軟件是以Windows為基礎(chǔ)，主要用于對(duì)電路板的設(shè)計(jì)，具有豐富的仿真分析能力[5]。目前在各高校教學(xué)中得到普遍使用。

在Multisim 11.0環(huán)境下，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。也可以利用豐富的元件庫(kù)創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和強(qiáng)大的虛擬儀器，設(shè)計(jì)者能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行迅速驗(yàn)證，從而縮短建模時(shí)間[6]。

2 Multisim11.0仿真調(diào)試基本過(guò)程

Multisim11.0在教學(xué)中應(yīng)用主要體現(xiàn)在原理圖的創(chuàng)建、結(jié)果仿真以及分析上，其仿真調(diào)試基本過(guò)程如下圖1[7]：

圖1 Multisim11.0軟件仿真調(diào)試過(guò)程

3 Multisim11.0的應(yīng)用實(shí)例

調(diào)制與解調(diào)是高頻電子線路課程學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)之一，也是通信系統(tǒng)的核心內(nèi)容。本文通過(guò)普通振幅調(diào)制(AM)與解調(diào)的仿真分析為例, 介紹 Multisim11.0仿真軟件在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用。

3.1 普通振幅調(diào)制(AM)信號(hào)的波形仿真

3.1.1 AM信號(hào)產(chǎn)生的基本原理

振幅調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)幅，是指用低頻調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的振幅，使載波的振幅隨調(diào)制信號(hào)成正比地變化。單頻調(diào)制產(chǎn)生普通調(diào)幅信號(hào)電路組成模型如圖2所示[8]：

圖2 AM 信號(hào)產(chǎn)生基本框圖

圖中高頻載波信號(hào)uc(t)=Ucmcosωct，低頻調(diào)制信號(hào)uΩ(t)=UΩmcosΩt，Ec為直流電壓，它與 uΩ(t)通過(guò)相加后作為乘法器的一個(gè)輸入，uc(t)是另一輸入，調(diào)幅波輸出電壓為uAM(t)，則：

其中ka為比例常數(shù)調(diào)幅系數(shù)或調(diào)指數(shù)，表示載波振幅受調(diào)制信號(hào)控制的程度。

3.1.2 AM信號(hào)仿真結(jié)果

根據(jù)AM信號(hào)產(chǎn)生的基本原理可知，在Multisim11.0環(huán)境下創(chuàng)建由乘法器組成的AM信號(hào)產(chǎn)生電路，如圖3所示，其中相乘系數(shù)設(shè)置為 1。在仿真過(guò)程中，可以靈活改變滑動(dòng)變阻器R8、 低頻調(diào)制信號(hào)的幅值、 高頻載波信號(hào)的幅值以及頻率的大小，觀察參數(shù)變化與波形變化間的關(guān)系，分析原因，得出結(jié)論。其波形與參數(shù)間關(guān)系見(jiàn)表1和圖4：

圖3 AM信號(hào)產(chǎn)生電路

在實(shí)際使用過(guò)程中, 要適當(dāng)選擇參數(shù)使ma的數(shù)值范圍在0至1之間，它的值不能超過(guò)1，因?yàn)槿绻鹠a＞1，將得到圖4中過(guò)調(diào)幅的狀態(tài)，其振幅在一段時(shí)間內(nèi)為零，使包絡(luò)產(chǎn)生嚴(yán)重失真。這樣的已調(diào)波經(jīng)過(guò)檢波后不能恢復(fù)原來(lái)調(diào)制信號(hào)的波形，而且它所占據(jù)的頻帶較寬，將會(huì)產(chǎn)生干擾，因此過(guò)調(diào)幅必須盡力避免。

表1 AM信號(hào)仿真波形參數(shù)表

圖4 AM信號(hào)仿真波形

3.2 普通振幅調(diào)制(AM)信號(hào)解調(diào)波形仿真

3.2.1 AM信號(hào)解調(diào)原理

常用AM信號(hào)解調(diào)電路有兩類(lèi)，即同步檢波電路和包絡(luò)檢波電路。同步檢波有兩種，包括乘積型和疊加型。包絡(luò)檢波只適用于解調(diào)AM信號(hào)，同步檢波可以對(duì)AM信號(hào)、雙邊帶和單邊帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。在此以乘積型同步檢波為例對(duì)AM信號(hào)進(jìn)行檢波，對(duì)波形進(jìn)行分析［9-10］。其原理框圖如圖5所示：

圖5 乘積型同步檢波器原理方框圖

圖中uAM(t)為已調(diào)信號(hào)，u’c(t)為本地載波，要求兩信號(hào)同頻同相，當(dāng)兩者的頻率或相位有一定偏差時(shí)，會(huì)使還原出來(lái)的調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生失真。假設(shè)uAM(t)=U1cosΩtcosω1t，u’c(t)=U2cos(ω0t+Ф)，如果：

（1）當(dāng)已調(diào)信號(hào)與本地載波同頻同相，ω1=ω0、Ф=0時(shí)，同步檢波器的輸出 u0(t)=U0cosΩt，顯然它能把調(diào)制信號(hào)不失真地解調(diào)出來(lái)。

（2）當(dāng)已調(diào)信號(hào)與本地載波同頻不同相，即ω1=ω0、Ф≠0時(shí)，經(jīng)過(guò)低通濾波器，同步檢波器的輸出u0(t)=U0cosФ cosΩt，由式可見(jiàn)，解調(diào)信號(hào)的輸出幅度與 cosФ成正比，解調(diào)信號(hào)的輸出幅度被衰減，能解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。

（3）當(dāng)已調(diào)信號(hào)與本地載波同相不同頻，ω1≠ω0、Ф=0時(shí)，同步檢波器的輸出u0(t)=U0cos[(ω0-ω1)t]cosΩt，可見(jiàn)解調(diào)信號(hào)存在振幅失真，不能正常解調(diào)。

3.2.2 乘積型同步檢波波形仿真

構(gòu)建解調(diào)電路如圖6，對(duì)上節(jié)所指三種情況分別進(jìn)行仿真，在圖6中乘法器1496的輸出是已調(diào)信號(hào)，10管腳是本地載波信號(hào)，輸出端電容和電阻組成低通濾波器。模擬示波器的A通道為輸入的已調(diào)信號(hào)、B通道為檢波器的解調(diào)輸出、C通道為調(diào)制信號(hào)。（1）兩信號(hào)同步時(shí)（f1=f0=100kHz、Ф=0），仿真結(jié)果如圖7(a)所示，由圖可見(jiàn)，電路對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行正確調(diào)制。（2）兩信號(hào)同頻不同相時(shí)（f1=f0=100kHz、Ф=100）仿真結(jié)果如圖7(b)所示，由圖可見(jiàn)，電路在調(diào)制過(guò)程中使解調(diào)信號(hào)幅度由8.589mV變成7.076mV，其幅度有所衰減，但可以解調(diào)。（3）兩信號(hào)同相不同頻（f0=10kHz、f1=100kHz、Ф=0）仿真結(jié)果如圖7(c)所示，由圖可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)不了解調(diào)的效果。三種仿真結(jié)果與理論分析相吻合。

圖6 乘積型同步檢波電路

圖7 乘積型同步檢波器的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

將仿真軟件引入高頻電子線路課程教學(xué)過(guò)程中，可以將抽象難懂的內(nèi)容生動(dòng)形象地演示出來(lái)，并通過(guò)改變參數(shù)得到不同的波形，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，也有助于學(xué)生在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中合理的確定參數(shù)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，對(duì)提高學(xué)生綜合素質(zhì)有很大的幫助作用[11-13]。Multisim軟件仿真作為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的橋梁，對(duì)解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)這一難題起到至關(guān)重要的作用。引入Multisim 11.0的方法也比較簡(jiǎn)單，只需在PowerPoint課件中加入仿真按鈕，并把相應(yīng)的Multisim 11.0文件超鏈接到該按鈕。

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