“高頻電子線路”可視化教學(xué)方法研究

劉玉龍， 李曉輝， 劉乃安， 徐 征

(1. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院， 陜西 西安710071, 2. 美國(guó)國(guó)家儀器公司， 陜西 西安 710068)

“高頻電子線路”可視化教學(xué)方法研究

劉玉龍1， 李曉輝1， 劉乃安1， 徐 征2

(1. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院， 陜西 西安710071, 2. 美國(guó)國(guó)家儀器公司， 陜西 西安 710068)

“高頻電子線路”課程具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，學(xué)生理解和掌握比較困難。針對(duì)這一問題，本文研究了一種結(jié)合LabVIEW和Multisim的“高頻電子線路”可視化課程教學(xué)方法，并以雙邊帶調(diào)制和解調(diào)為例，說明了“高頻電子線路”可視化教學(xué)改革的思路，通過直觀的圖形化設(shè)計(jì)，便于學(xué)生理解和掌握“高頻電子線路”的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高分析和設(shè)計(jì)能力。

“高頻電子線路”；可視化課程教學(xué)；LabVIEW；Multisim

0 引言

“高頻電子線路”是電子信息工程、通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程[1-2]。學(xué)生普遍反映難于掌握。如何在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，讓學(xué)生有效理解并掌握“高頻電子線路”的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、設(shè)計(jì)能力，是該課程教學(xué)改革需解決的首要問題[3-5]。

人類接受的信息來源是多方位的，其中視覺信息占70%，聽覺信息占20%，其他占10%，可視化的信息能直接對(duì)學(xué)生視覺和聽覺感官發(fā)揮作用[6]。因此，“高頻電子線路”教學(xué)應(yīng)該引入可視化的教學(xué)方式，以激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)潛能。

目前，可視化教學(xué)已被引入到“信號(hào)與系統(tǒng)”，“數(shù)字圖像處理”等課程中[6-7]。但是，還很少有關(guān)于“高頻電子線路”課程可視化教學(xué)方法的報(bào)道。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文將LabVIEW和Multisim引入到高頻教學(xué)中，以雙邊帶調(diào)制和解調(diào)為例，說明“高頻電子線路”可視化教學(xué)改革的思路，通過直觀的圖形化設(shè)計(jì)，提供一種可視化的教學(xué)方法，使得該課程教學(xué)更加生動(dòng)有趣。

1 “高頻電子線路”可視化教學(xué)工具

為了實(shí)現(xiàn)“高頻電子線路”的可視化教學(xué)，我們首先利用多媒體技術(shù)，開發(fā)可視化的“高頻電子線路”課件。課件中，在講解原理算法的同時(shí), 給出豐富的實(shí)例，讓學(xué)生從元器件和模塊等基本元素出發(fā)接觸高頻電子線路，在理論教學(xué)時(shí)綜合文字、聲音和圖像，把理論知識(shí)與應(yīng)用結(jié)合起來，使抽象的內(nèi)容形象化，生動(dòng)化，易于理解與接受。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面[8]。使用控件圖標(biāo)和連線，通過編程對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制，也就是圖形化源代碼，具有非常強(qiáng)的可視化效果。

Multisim也是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作[9]。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。使用者可以使用Multisim搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。

根據(jù)LabVIEW和Multisim的特點(diǎn)，我們將其作為開發(fā)“高頻電子線路”可視化教學(xué)的工具，增加教學(xué)的實(shí)踐性、動(dòng)態(tài)性，避免了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的枯燥感，有利于學(xué)生真正理解和掌握知識(shí)。

2 “高頻電子線路”可視化教學(xué)方法

本節(jié)以雙邊帶調(diào)制(DSB)調(diào)制為例，給出了“高頻電子線路”可視化教學(xué)的實(shí)際應(yīng)用。通過將LabVIEW和Multisim引入到“高頻電子線路”的教學(xué)中，使學(xué)生清晰地看到DSB信號(hào)的演變過程，其效果是傳統(tǒng)板書難以達(dá)到的。

2.1 DSB調(diào)制

1)DSB調(diào)制原理

DSB調(diào)制是一種幅度調(diào)制，通過抑制載波信號(hào)，既提高了效率，又不影響消息的傳輸。其波形可以表示為

uDSB=kf(t)Vccosωt

(1)

式中，Vccosωct為載波信號(hào)，f(t)為調(diào)制信號(hào)。

在單一正弦信號(hào)f(t)=UΩcosΩt調(diào)制時(shí)，式(1)可以表示為

uDSB=kUcUΩcosΩtcosωct=g(t)cosωct

(2)

式中，g(t)是雙邊帶信號(hào)的振幅，與調(diào)制信號(hào)成正比，即雙邊帶調(diào)制信號(hào)可用載波與調(diào)制信號(hào)相乘得到。單頻調(diào)制的DSB信號(hào)只有ωc+Ω及ωc-Ω兩個(gè)頻率分量。

2)基于LabVIEW的DSB調(diào)制

根據(jù)DSB調(diào)制原理的分析，DSB信號(hào)來源于載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的乘積項(xiàng)，因此可以使用乘法器來實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制。圖1給出了DSB調(diào)制的LabVIEW源代碼。通過圖1，我們可以清楚地看出用乘法器實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制的過程。

圖1 DSB調(diào)制的LabVIEW源代碼

在圖1中，我們可以設(shè)定調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的幅值和頻率，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過乘法器，就可以得到已調(diào)信號(hào)。

我們可以用LabVIEW中的示波器和頻譜分析儀來觀察調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的頻譜圖和波形圖。圖2給出了單一正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)的調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的頻譜圖和波形圖。

圖2中，左側(cè)自上至下分別是調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的頻譜，右側(cè)分別是調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的波形。通過這種方式。學(xué)生可以很直觀地了解如何通過乘法器得到DSB信號(hào)的波形和頻譜。

3)基于Multisim的DSB調(diào)制

通過Labview，我們清晰地看出DSB調(diào)制器的各組成模塊以及波形圖和頻譜圖，避免了大量的分立器件給學(xué)生學(xué)習(xí)初期帶來的困擾。但是在學(xué)生對(duì)調(diào)制器的原理和組成比較清楚后，可以通過Multisim來進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)乘法器是怎樣設(shè)計(jì)的。

圖2 DSB調(diào)制的LabVIEW輸出頻譜圖和波形圖

根據(jù)前面的分析，具有乘積功能的電路均可作為DSB信號(hào)的調(diào)制電路，包括二極管調(diào)制電路、差分對(duì)調(diào)制電路等。其中，雙差分對(duì)電路可以逼近理想的乘法器，因此在DSB調(diào)制中得到了廣泛應(yīng)用。

圖3是使用Multisim來搭建的雙差分對(duì)DSB調(diào)制器。圖中，Q1、Q2、Q5和Q3、Q4、Q6分別構(gòu)成2個(gè)差分對(duì)，實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制的功能。

圖3 雙差分對(duì)DSB調(diào)制器

圖4是該乘法器的輸出。這里我們的調(diào)制信號(hào)選擇為三角波。

我們通過LabVIEW和Multisim，從模塊級(jí)和器件級(jí)分別展示DSB調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方法，讓學(xué)生先通過LabVIEW理解實(shí)現(xiàn)架構(gòu)、掌握波形和頻譜等，然后再學(xué)習(xí)通過分立元件實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制的方法，這種可視化教學(xué)可以減少學(xué)生單純從課本上學(xué)習(xí)器件帶來的困擾。在使用Multisim進(jìn)行電路搭建時(shí)，可以讓學(xué)生直接操作，并可以嘗試著改變參數(shù)設(shè)置，分析

圖4 DSB調(diào)制的輸出波形圖

不同的參數(shù)對(duì)輸出有什么影響，更加深入地進(jìn)行高頻電子線路的學(xué)習(xí)。

2.2 基于LabVIEW的DSB信號(hào)解調(diào)

DSB信號(hào)解調(diào)是DSB信號(hào)調(diào)制的逆過程，可采用同步檢波法實(shí)現(xiàn)。同步檢波分為乘積型同步檢波和疊加性同步檢波。這里我們以乘積型同步檢波為例，介紹DSB信號(hào)解調(diào)的工作原理。

乘積型同步檢波是直接把本地恢復(fù)的載波與接收信號(hào)相乘，用低通濾波器將低頻調(diào)制信號(hào)提取出來，如圖5所示。

圖5 DSB信號(hào)解調(diào)工作原理

圖中，DSB已調(diào)信號(hào)和本地恢復(fù)載波相乘，可以表示為

(3)

經(jīng)過低通濾波后，輸出的信號(hào)為

uo=Uocos(Δωct+φ)cosΩt

(4)

其中Δωc=ωt-ωc。如果ωr=ωc，φ=0，Uo=UΩ，輸出信號(hào)

uo=UΩcosΩt=uΩ

(5)

即可以得到調(diào)制信號(hào)uΩ。

圖6給出了用乘法器實(shí)現(xiàn)同步檢波的LabVIEW源代碼。

圖7自上至下是調(diào)制信號(hào)、已調(diào)信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的對(duì)比圖。

通過圖6和圖7，可以展示出如何用乘法器實(shí)現(xiàn)DSB同步檢波，從而驗(yàn)證了DSB調(diào)制和解調(diào)理論的正確性和有效性。

圖6 DSB同步檢波的LabVIEW源代碼

圖7 DSB同步檢波的LabVIEW輸出波形圖

3 結(jié)語

本文提出了將LabVIEW和Multisim引入“高頻

電子線路”課程教學(xué)的方法，通過可視化的教學(xué)改革，能夠讓學(xué)生直觀地看到調(diào)制/解調(diào)器的模塊級(jí)及元器件級(jí)的實(shí)現(xiàn)方法、波形圖和頻譜，讓抽象的“高頻電子線路”理論和實(shí)現(xiàn)方法一目了然，便于學(xué)生理解和掌握“高頻電子線路”的知識(shí)，提高分析和設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生進(jìn)行更為深入的研究與開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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Research on Visual Teaching of High-Frequency Electronic Circuit

IU Yu-long1， Li Xiao-hui1， IU Nai-an1， Xu Zheng2

(1.SchoolofTelecommunicationsEngineering,XidianUniversity,Xi'an710071,China2.NationalInstrumentCompany,Xi'an710068,China)

High-Frequency Electronic Circuit course is hard to be understood since it is full of abstract theories. Aiming at this problem, a visual teaching method for High Frequency Electronic Circuit is proposed on the basis of LabVIEW and Multisim. Take DSB (double sideband) modulation for example, we present the thought of the visual reform of education of High-Frequency Electronics Circuit. Through the directly graphic illustration method, the students can understand and master the knowledge, raise the study interest，and improve the analysis and the design capacity.

high-frequency electronic circuit；visual teaching method；LabVIEW；Multisim

2015-05-29;

2015-09- 23

劉玉龍(1990-)，男，碩士生，研究方向?yàn)閷拵o線通信，E-mail：welcomeyou2010@126.com

李曉輝(1972-)，女，教授，博士，主要從事高頻理論教學(xué)、寬帶無線接入研究工作，E-mail：xhli@mail.xidian.edu.cn

G426

A

1008-0686(2016)02-0102-04

劉乃安(1966-)，男，教授，博士，主要從事無線通信與射頻電路、寬帶無線IP網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)教學(xué)和研究工作，E-mail：naliu@mail.xidian.edu.cn