Multisim在应用型本科高校高频电子线路教学中的应用

王银花

(铜陵学院电气工程学院，安徽省铜陵市翠湖四路1335号 244000)

高频电子线路在无线通信领域中占有极其重要的地位，是电子信息科学与技术、通信工程、测控技术与仪器等本科专业的一门重要的专业基础课，也是一门工程性和实践性很强的课程。当今，随着电子器件和计算机的飞速发展，电子仿真软件也随之发生着日新月异的变化，仿真软件Multisim提供了一个极好的理解高频电子线路理论知识的平台。

1 Multisim仿真软件简介

Multisim是一个集电路设计、电路功能测试一体化的虚拟仿真软件。学生可以用计算机软件仿真方便地把学到的理论知识真实地再现出来。利用Multisim仿真软件能很好地解决理论教学与实际动手实践相脱节的问题。Multisim具以下方面特征[1]：(1)图形界面直观，软件仪器的控制面板和操作方式都与实际测量仪器的设置和使用一样，动态互交显示，测量得到的数据、波形和特性曲线等如同在真实仪器上看到的一样；(2)元器件丰富，软件中提供了上万种元器件，能方便的对元件各种参数进行编辑修改，并且能借用模型生成器或代码模式创建新的模型；(3)仿真能力强大，包括射频仿真、单片机仿真、电路向导等功能；(4)分析手段完备，软件中提供了各种多样的分析功能，包括暂态分析、交直流分析、傅里叶分析，等等。

2 结合Multisim引入多种教学方法

每一种教学方法都有各自的优缺点，教师要兼顾课程内容和学生知识结构和能力的特点，在教学中将各种教学方法灵活运用，去激发和引导学生的最大潜能，以培养学生的实践能力，提高学生的综合素质[2]。在高频电子线路课程教学中结合Multisim仿真软件，主要实施的教学方法有以下几种。

2.1 任务驱动法

教师根据教学内容以及学生的认知水平，提出相应的任务，巧妙地将教学内容隐藏在每一项任务中，同时教师引导学生边学边做完成相应的“任务”。学生以完成某一具体任务为线索去探究新知识，当学生完成这个任务后也就建构了所学的新知识。例如研究LC并联电路谐振的一系列特性：(1)电路谐振时电路的阻抗特点，电压特点；(2)电路谐振时电源的电压与电流相位关系如何；(3)电路谐振时电感与电容这2个元器件上的电压大小以及相位关系如何。要求学生搭建电路，参考电路如图1所示，可以通过示波器观察到所述结论。进一步布置任务，要求学生通过自己搭建仿真实验电路，研究记录LC串联谐振电路的特性。

图1 LC并联谐振回路

2.2 指导自学法

在教师的指导下，让学生通过自学完成特定的教学任务，这可以节省课堂教学时间，同时也可以提高学生自主学习的能力。例如在学习高频功率放大器这一章，课堂教学中搭建参考电路图如图2所示，观察丙类谐振功率放大器的典型特性：(1)输入信号波形与集电极电流波形之间的非线性特征。(2)输入信号波形与输出信号波形之间的线性特征。课堂教学中完成以下任务：(1)分析说明丙类谐振功率放大器集电极电流为什么会呈现周期的余弦脉冲形状？(2)如何保证输出信号与输入信号成线性关系？

图2 丙类谐振功率放大器

布置相关任务，要求学生进一步研究高频功率放大电路的外部特性，主要包括：调谐特性、负载特性、振幅特性和调制特性。要求学生课后完成仿真实验，上交分析报告。学生利用Multisim仿真软件完成特定任务的自学指导法，有助于学生高效率地掌握大量系统化的知识。

2.3 仿真演示法

将实际操作与仿真技术相结合。可以利用Multisim仿真软件进行设计、分析和调试电路。教师可以很方便得在仿真软件上修改实验参数，学生可以直观形象地看到对应的电路性能情况[3]。如用Multisim仿真软件对普通幅度调制进行演示，让学生观察调制系数大小与已调波波形的关系情况。进一步可以继续演示双边带调制、单边带调制，比较分析各种已调波波形的异同及其原因。实践证明教师将仿真实验引入课程的教学中，能激发学生的学习兴趣，提高学生学习的主动参与意识[4]。学生普遍反映这样的教学更加形象直观，容易理解和消化知识点。

3 Multisim实现高频电子线路研究实例

以普通调幅信号的调制与解调教学内容为例，引入Multisim可以展现复杂的电路图和各种形式的波形图，利于提高课堂教学容量，改善教学效果。

3.1 普通调幅信号数学表达式[5]

载波电压为：uc(t)=Ucmcosωct

调制电压为：uΩ(t)=Ec+UΩmcosΩt

将上两式相乘为普通振幅调制信号：

us(t)=K[Ec+UΩmcosΩt]Ucmcosωct

=KUcm[Ec+UΩmcosΩt]cosωct

=Us[1+macosΩt]cosωct

(1)

式中：ma表示调幅波幅度的最大变化量与载波振幅之比，称为调幅度或调制指数。

利用三角函数式将普通调制信号展开为：

us(t)=Us[2cosωct+macos(ωc+Ω)t+macos(ωc-Ω)t]/2

(2)

由上式可知其包含三个频率分量，即载波分量ωc、上边频分量ωc+Ω、下边频分量ωc-Ω。

3.2 普通调幅信号调制实现

普通调幅电路的主要构成器件是乘法器。在图3中设置参数：低频调制信号uΩ(t)的振幅为1V，频率为1kHz，Ec设为2V，载波信号uc的振幅为1V，频率为50kHz。此时，调幅系数ma=0.5。双击打开示波器XSC1并运行仿真电路，可得输出电压波形。从图4中输出波形可以得出结论：高频载波信号的包络随着调制信号的规律而变化。

图3 由乘法器组成的普通调幅电路Fig.3 The circuit of normal amplitude modulation composed of multiplier

图4 调幅波波形

改变实验参数：(1)使调幅系数ma=1，需要将调制信号电压的幅值改为2V，这时电路输出的曲线如图5所示，此时的包络线恰好为调幅曲线；(2)使调幅指数ma=2，需要将调制信号电压的幅值改为4V，这时电路输出的曲线如图6所示，已调波的包络形状产生了严重的包络失真，这种情况称为过调失真。

通过以上仿真可知，为了避免产生过调失真，确保调制信号的变化规律被调波的包络真实反映出来，为将来在接收端能解调出原始调制信号做好准备，要求调制系数ma，使之满足0

3.3 普通调幅信号解调实现

3.3.1 构建二极管包络检波电路

图7为该实验电路。取调幅电压源V1产生普通调幅波作为输入信号，由V1产生的普通调幅波经二极管包络检波电路输出波形并在示波器上显示。

图5 ma=1时调幅波形

图6 ma=2时调幅波形

图7 包络检波电路

相应信号参数设置为：调制信号频率为1kHz；载波信号的频率为50kHz，振幅为0.8V；调制信号调幅指数ma=0.5；C1为33nF，R1为10uF，R2为50kΩ，R2为10kΩ。打开示波器并开启仿真按钮，可得到波形图8。

图8 普通调幅信号及其解调后的信号

图8所示中，下部分二极管包络检波电路的输入信号波形也即产生的普通调幅信号，上部分是二极管包络检波电路的输出信号。

3.3.2 二极管包络检波器的两种失真

将二极管包络检波电路中R1增大为100kΩ，C1增大为500nF，打开仿真按钮，得到惰性失真波形图9。

图9 惰性失真波形

把包络检波电路中的ma参数修改为0.8，R2减小为5kΩ，观察仿真波形如图10，输出波形负半周在一段时间内为一条直线，这部分信号未被解调出。

图10 负峰切割失真波形

4 结束语

Multisim的引入为应用型本科高校“高频电子线路”的教学提供了全新教学方法。在教学过程中可以先简要介绍基本原理和基本概念，然后通过对电路的分析与仿真，得出结论，最后再与实际电路波形或数据进行对比。通过层层分析，步步深入，将理论学习和实践动手相结合。实践证明，将Multisim仿真软件引入高频电子线路的教学中，既能解决课堂学时紧张的问题，又能使学生直观地领会和理解课程的分析方法和处理结果，达到理论联系实际的良好效果。