時 翔

(常州工學院計算機信息工程學院，江蘇 常州 213002)

“通信電子線路”課程是通信工程專業(yè)的一門重要課程，傳統(tǒng)的教學手段是通過教師講解，教授學生理性知識后，再讓學生進入實驗室，進行實踐動手驗證與探討，以獲得理論與實踐的統(tǒng)一。這種方法在實際教學中，由于缺乏理性與感性認識之間的必要銜接，許多學生在進入實驗室時，對實驗器材、目的和操作認識不清，對實驗結果未能準確預知，實驗輔助教學實踐達不到預期效果。將EDA工具Multisim軟件引入“通信電子線路”課程的教學，能夠使學生在獲得書本上的理性知識后，及時通過虛擬實驗室環(huán)境鞏固和熟悉原理，選擇元件、設計電路、計算與調整參數(shù)以及觀測仿真結果，及時獲得感性認識。［1－2］在此基礎上，學生進入現(xiàn)實實驗室后，既不會對實驗器材和電路感到陌生，也不會對實驗目的、操作和結果未有預知，增強了學生的學習興趣，提高了轉化知識的效率。

1 Multisim特征

Multisim是一種交互式電路仿真和分析軟件，主要具有以下功能:為課堂教學提供虛擬實驗室環(huán)境;使學生熟悉儀器和元器件的使用;其易用性使學生能夠將精力集中在電路的理解與學習上;能夠更為有效地排除教學故障。該軟件易于使用，其中的儀器和元器件與實際器件極為相似。利用Multisim建立通信電子線路的虛擬實驗室，學生通過虛擬儀器可以理解實際操作過程，不必顧慮元器件和儀器的損壞，節(jié)省了時間和成本，為真實環(huán)境下的實驗操作打下了基礎。［3－7］

2 虛擬實驗室架構

“通信電子線路”是電路分析、模擬電子線路等的后續(xù)課程，是通信工程和電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)技術基礎課程，理論性與實踐性極強。課程研究的主要內容是由無線通信系統(tǒng)的基本原理與基本電路組成，使學生了解通信系統(tǒng)的功能和應用，掌握通信電路中各個功能模塊的工作原理與分析方法，初步具備通信系統(tǒng)分析與設計的能力。

在通信電子線路虛擬實驗室的架構中(如圖1所示)，從系統(tǒng)的角度充分考慮，將其分為通信發(fā)射機和接收機兩大功能模塊，并分別在通信發(fā)射機模塊中建立正弦波振蕩器、調制器、高頻功率放大器功能子模塊，在通信接收機模塊中建立高頻小信號放大器、混頻器、本地振蕩器、檢波器功能子模塊，各功能子模塊兼有多種電路實現(xiàn)形式(可選、可調)。根據(jù)教學內容和需求，學生逐步從功能子模塊的學習過渡到發(fā)射/接收功能模塊的學習，并最終建立通信電子線路的系統(tǒng)概念。

圖1 通信系統(tǒng)發(fā)射機/接收機模塊及其功能子模塊

3 Multisim實踐應用

在課程中應用 Multisim軟件的輔助教學步驟如圖2所示。學生在完成理論學習后，在教師的引導下，進入Multisim虛擬實驗室，首先進行功能子模塊的功能驗證試驗，通過固定參數(shù)電路的仿真與觀測，完善對理論的理解;隨后改變功能子模塊的電路參數(shù)，通過仿真與觀測，進行深入的理論學習和探討。［2］

在通信電子電路課程中，按發(fā)射到接收的因果順序，分別以正弦波振蕩器、調制器、高頻功率放大器、高頻小信號放大器、混頻器、檢波器6個功能子模塊為例，闡述Multisim對各功能電路工作原理的理論分析、功能驗證和探討。［3－7］

3.1 正弦波振蕩器

圖2 Multisim虛擬實驗室輔助實踐教學流程

以電感三點式振蕩器為例，其電路圖如圖3(a)所示，其反饋信號取自電感兩端，由于互感的作用，振蕩器很容易起振，且頻率調整方便，只需調整振蕩電容就可得到線性的振蕩頻率，但由于電感對高頻分量的高阻抗，使振蕩器輸出的諧波成分多，波形不好。另外，由于電感L1、L2分別與管子的結電容并聯(lián)，構成并聯(lián)諧振回路，當振蕩頻率過高時，將產生容性失諧，輸出的波形如圖3(b)所示。

圖3電感三點式振蕩器

3.2 調制器

以基極調幅電路為例，其電路如圖4(a)所示，基極調幅電路的調制信號和載波信號均加在基極回路，直流偏壓和電阻確保三極管在非線性區(qū)工作，負載由LC并聯(lián)諧振電路組成，諧振頻率等于載波頻率。用示波器觀察輸出電壓波形，如圖4(b)所示，可以體會理論分析的結果，并根據(jù)示波器的刻度算出調制系數(shù)。隨后，學生可以改變載波信號和調制信號的幅度的比例，即改變振幅調制系數(shù)，觀察不同ma時的輸出波形，進行進一步探討。

圖4 基極調幅調制器

3.3 高頻功率放大器

高頻功率放大器通常用在發(fā)射機末級功率放大器和末前級功率放大器中，主要對高頻信號的功率進行放大，使其達到發(fā)射功率的要求。一個典型的高頻功率放大器電路如圖5(a)所示，其電路特點是:晶體管工作在丙類，負載為并聯(lián)諧振回路，調諧在輸入信號的頻率上，起濾波和阻抗匹配的作用。

圖5 高頻功率放大器

學生在完成功能驗證后，可以改變輸入信號和諧振負載，瞬態(tài)可見集電極電流為一串尖脈沖，進行進一步探討與思考。(由于示波器只能觀察到電壓波形，因此，減小負載電阻，通過觀察電阻上電壓顯示電流情況。)

3.4 高頻小信號放大器

高頻小信號放大電路主要由晶體管、負載、輸入信號和饋電電路等部分組成。以圖6(a)所示電路為例，晶體管基極為正偏，工作在甲類，負載為LC并聯(lián)諧振電路，調諧在輸入信號的頻率上，該電路能夠對輸入的高頻信號進行放大。從示波器中觀察到相關波形如圖6(b)所示。由圖形可見，高頻小信號諧振放大電路的輸入信號和輸出信號反相，且輸出信號比輸入信號的幅度大許多。

如圖6(c)所示，通過波特儀可方便地觀察到該放大器的選頻特性和通頻帶。

圖6 高頻小信號放大器

3.5 混頻器

用乘法器實現(xiàn)的混頻電路如圖7(a)所示，圖中L1、C1、R2構成中頻濾波器，諧振頻率為60 kHz。模擬乘法器對AM 信號與160 kHz的本振信號進行差頻，通過濾波器將差頻信號輸出(圖中調幅信號取ma為0.8)

圖7 混頻器

3.6 檢波器電路

包絡檢波器只能解調已調信號包絡隨調制信號規(guī)律變化的普通調幅波，而DSB和SSB信號的包絡不直接反映調制信號的變化規(guī)律，只能用同步解調的辦法解調。圖8(a)所示為用乘法器實現(xiàn)的同步檢波電路。電路中第1個乘法器用來實現(xiàn)DSB信號，該信號作為第2個乘法器的輸入信號，與插入載頻(與載頻同頻同相)相乘。然后經低通濾波器輸出，即可得解調信號，如圖8(b)所示。

圖8 同步檢波器

4 結語

利用Multisim軟件，建立“通信電子線路”課程的虛擬實驗室，實現(xiàn)了理論與實踐的良好過渡與結合，使學生的學習遵循從理論到建模、從仿真到動手的獲取及探討知識的科學過程，從而使教學流程更加合理和完整。學生直觀地看到電路的構成、信號的產生和變化，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，有助于對教學內容的理解，還可促進學生動手能力和創(chuàng)新意識的提高，有利于學生綜合素質的培養(yǎng)。未來的教學改革中，一方面將繼續(xù)完善Multisim虛擬實驗室，突出其功能性與交互性，一方面更加突出主體，促進學生利用實驗室進行課程設計、課外科技發(fā)明與創(chuàng)新。

［1］周凱.EWB虛擬電子實驗室［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

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