Multisim仿真軟件在高頻電子線路教學(xué)中的應(yīng)用與探討

苗倩余等

摘 要： 高頻電子線路課程教學(xué)存在抽象、枯燥、學(xué)生參與的積極性不高的問(wèn)題。對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行改革，把Multisim仿真軟件引入高頻電子線路教學(xué)，列舉了單失諧鑒頻電路仿真實(shí)例，通過(guò)不斷改變電路元件參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析感性失諧和容性失諧波形的特點(diǎn)，以及二極管包絡(luò)檢波器正常檢波情況、惰性失真現(xiàn)象。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，可以生動(dòng)直觀地展現(xiàn)仿真結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)概念和原理的理解。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，明顯改善了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： Multisim； 高頻電子線路； 單失諧振幅鑒頻電路； 教學(xué)方法探討

中圖分類號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）20?0127?03

Application of Multisim in high?frequency electronic circuit teaching

MIAO Qian， YU Zhi?yong， HOU Hong?qing， LI Yan?ling， ZHANG Hui， JIANG Qin?bo， XU Hui

（The Second Artillery Engineering University， Xian 710025， China）

Abstract： In view of the problems existing in the teaching of “High?frequency Electronic Circuit”， such as abstract， boring， and low participation enthusiasm of students， the traditional teaching was reformed and the Multisim simulation software was introduced into the teaching of “High?frequency Electronic Circuit”. The simulation examples for single detuning amplitude discriminator circuit were enumerated. Through continuous change of circuit component parameters， the characteristics of detuning waveforms， normal detection of diode envelope detector and inert distortion phenomenon were compared and analysed. The simulation experiments show the simulation results can be revealed intuitively and vividly， which can enhance perceptual knowledge of the students， and deepen understanding of students for the circuit concepts and principles. It is proven through practice that the teaching method is helpful for mobilizing the initiative learning enthusiasm of the students and can improve the teaching effect obviously.

0 引 言

高頻電子線路是通信工程、電子工程專業(yè)一門必修的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，理論性、實(shí)踐性、工程性較強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)更多注重理論知識(shí)的講解，學(xué)生很難掌握。為了提高高頻電子線路的教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的分析和解決問(wèn)題的能力，有必要將電路仿真軟件引入課堂。Multisim 軟件具有豐富的仿真分析能力，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，為電子線路設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上完成電路的功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、性能分析等創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)[1]。

本文以單失諧振幅鑒頻電路為例，闡述了Multisim仿真軟件在高頻電子線路課程中的應(yīng)用，把抽象的問(wèn)題通過(guò)仿真簡(jiǎn)單化、形象化，使學(xué)生更容易接受。

1 單失諧振幅鑒頻器工作原理

振幅鑒頻器的基本原理是把等幅調(diào)頻波通過(guò)頻率?幅度線性變換網(wǎng)絡(luò)，變換成振幅與頻率都隨調(diào)制信號(hào)而變化的[FM-AM]波，然后通過(guò)包絡(luò)檢波器根據(jù)[FM-AM]波的包絡(luò)變化，還原出原調(diào)制信號(hào)。它的電路模型如圖1所示。

最簡(jiǎn)單的振幅鑒頻器是單失諧回路振幅鑒頻器，原理電路和波形如圖2所示。電路中的頻率?幅度變換器就是[LC]并聯(lián)諧振回路。

圖1 振幅鑒頻電路模型

圖2 原理電路和波形圖

如果把并聯(lián)諧振回路的諧振頻率[fp]選得高于[FM]波的載波頻率[fo]時(shí)，對(duì)[FM]信號(hào)而言，將工作在并聯(lián)諧振回路的感性失諧區(qū)。工作在感性失諧區(qū)的并聯(lián)諧振回路，其幅頻特性曲線有一段以載頻[fo]為中心的傾斜區(qū)，如圖3所示。

圖3 幅頻特性曲線

當(dāng)FM波的電流流過(guò)回路時(shí)，由于對(duì)不同的瞬時(shí)頻率，回路失諧阻抗大小不同，因此LC回路的端電壓是一調(diào)頻?調(diào)幅波，其振幅uFM?AM將隨FM波的瞬時(shí)頻偏[Δf（t）]而變化。當(dāng)[f（t）>fo]時(shí)，回路失諧小，回路輸出電壓振幅uFM?AM大；當(dāng)[f（t）

2 單失諧振幅鑒頻電路實(shí)現(xiàn)

圖4是單失諧振幅鑒頻電路。V1是幅值為6 V，中心頻率為1.2 kHz，調(diào)制信號(hào)頻率為100 Hz的輸入調(diào)頻波。[L1]和[C1]組成并聯(lián)諧振回路，實(shí)現(xiàn)頻率到幅度的線性變化。VD，[R]和[C]組成二極管峰值包絡(luò)檢波器，完成對(duì)FM?AM波的檢波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用來(lái)觀察輸入等幅調(diào)頻波和諧振回路輸出FM?AM波的波形，XSC2用來(lái)觀察FM?AM波和二極管包絡(luò)檢波輸出的波形。

圖4 單失諧振幅鑒頻電路

3 單失諧振幅鑒頻電路仿真分析

3.1 頻率?幅度變換分析

要實(shí)現(xiàn)頻率?幅度的變換，[L1]，[C1]組成的諧振回路應(yīng)處于失諧狀態(tài)，那么就要求諧振回路的諧振頻率小于或者大于輸入調(diào)頻波的中心頻率1.2 kHz。

（1） 感性失諧分析

當(dāng)[L1]=102 μF，[C1]=98 μF時(shí)，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為1.59 kHz，大于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路感性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過(guò)并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖5所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?幅度變換的FM?AM波，實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

（2） 容性失諧分析

當(dāng)[L1]=200 μF，[C1]=230 μF時(shí)，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為0.74 kHz，小于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路容性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過(guò)并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖6所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?調(diào)幅變換的FM?AM波，實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

圖5 輸入調(diào)頻波和感性失諧輸出波形

圖6 輸入調(diào)頻波和容性失諧輸出波形

3.2 包絡(luò)檢波輸出

以感性失諧為例，當(dāng)[R]=10 kΩ，[C]=50 nF時(shí)，在示波器XSC2觀察二極管包絡(luò)檢波器輸出波形如圖7所示。當(dāng)[R]=10 kΩ，[C]=100 nF時(shí)，檢波器輸出波形如圖8所示。

圖7 C=50 nF時(shí)檢波輸出波形

圖8 C=100 nF時(shí)檢波輸出波形

從圖7和圖8波形的輸出可以看出，此時(shí)電路雖然都能夠檢波出FM?AM的包絡(luò)信號(hào)，但隨著逐步增加[C]的值時(shí)，輸出信號(hào)的高頻波紋變小，更加接近光滑曲線。繼續(xù)增大[C]的值，設(shè)[C]為600 nF，900 nF，檢波器輸出波形如圖9和圖10所示，可以看出，當(dāng)逐步增加[C]時(shí)，二極管包絡(luò)檢波器產(chǎn)生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明顯。對(duì)比分析見(jiàn)表1（R=10 kΩ）。

表1 包絡(luò)檢波器仿真輸出對(duì)比表

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：

（1） 諧振回路在感性失諧和容性失諧時(shí)輸出的FM?AM波波形的異同，雖然都實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的變化，但是諧振回路感性失諧時(shí)，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化一致，即頻率高，幅值大；頻率低，幅值??；容性失諧時(shí)，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化不一致，即頻率高，幅值?。活l率低，幅值大。

（2） 利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載[C]的充放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢波，所以[C]的選擇很重要。[C]過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生惰性失真。[C]太小，高頻波紋大。

圖9 C=600 nF時(shí)檢波輸出波形

圖10 C=900 nF時(shí)檢波輸出波形

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)教學(xué)在講解利用諧振回路的感性失諧、容性失諧特性實(shí)現(xiàn)頻率到幅度的變換輸出的波形和二極管包絡(luò)檢波正常檢波和惰性失真輸出波形特點(diǎn)時(shí)，給學(xué)生的直觀印象不深。而通過(guò)將Multisim仿真軟件引入課程教學(xué)，可以很形象地表達(dá)出波形的特點(diǎn)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生的信心得到提高，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解吸收，教學(xué)效果明顯改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim 10仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（18）：172?174.

[2] 朱高中.基于Multisim仿真軟件在高頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（11）：106?108.

[3] 朱華光.Multisim 10在模擬電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（15）：92?96.

[4] 孫會(huì)麗.電路的分析方法[J].電子科技，2013，26（4）：162?164.

[5] 黃揚(yáng)帆，甘平，劉曉，等.高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（7）：285?287.

[6] 張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7] 周天宏.高頻電子電路實(shí)臉設(shè)計(jì)經(jīng)臉與技巧[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013（3）：177?180.

[8] 朱高中.基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艷香，朱根生，劉志盼，等.基于Multisim高頻電子線路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation

2 單失諧振幅鑒頻電路實(shí)現(xiàn)

圖4是單失諧振幅鑒頻電路。V1是幅值為6 V，中心頻率為1.2 kHz，調(diào)制信號(hào)頻率為100 Hz的輸入調(diào)頻波。[L1]和[C1]組成并聯(lián)諧振回路，實(shí)現(xiàn)頻率到幅度的線性變化。VD，[R]和[C]組成二極管峰值包絡(luò)檢波器，完成對(duì)FM?AM波的檢波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用來(lái)觀察輸入等幅調(diào)頻波和諧振回路輸出FM?AM波的波形，XSC2用來(lái)觀察FM?AM波和二極管包絡(luò)檢波輸出的波形。

圖4 單失諧振幅鑒頻電路

3 單失諧振幅鑒頻電路仿真分析

3.1 頻率?幅度變換分析

要實(shí)現(xiàn)頻率?幅度的變換，[L1]，[C1]組成的諧振回路應(yīng)處于失諧狀態(tài)，那么就要求諧振回路的諧振頻率小于或者大于輸入調(diào)頻波的中心頻率1.2 kHz。

（1） 感性失諧分析

當(dāng)[L1]=102 μF，[C1]=98 μF時(shí)，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為1.59 kHz，大于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路感性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過(guò)并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖5所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?幅度變換的FM?AM波，實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

（2） 容性失諧分析

當(dāng)[L1]=200 μF，[C1]=230 μF時(shí)，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為0.74 kHz，小于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路容性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過(guò)并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖6所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?調(diào)幅變換的FM?AM波，實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

圖5 輸入調(diào)頻波和感性失諧輸出波形

圖6 輸入調(diào)頻波和容性失諧輸出波形

3.2 包絡(luò)檢波輸出

以感性失諧為例，當(dāng)[R]=10 kΩ，[C]=50 nF時(shí)，在示波器XSC2觀察二極管包絡(luò)檢波器輸出波形如圖7所示。當(dāng)[R]=10 kΩ，[C]=100 nF時(shí)，檢波器輸出波形如圖8所示。

圖7 C=50 nF時(shí)檢波輸出波形

圖8 C=100 nF時(shí)檢波輸出波形

從圖7和圖8波形的輸出可以看出，此時(shí)電路雖然都能夠檢波出FM?AM的包絡(luò)信號(hào)，但隨著逐步增加[C]的值時(shí)，輸出信號(hào)的高頻波紋變小，更加接近光滑曲線。繼續(xù)增大[C]的值，設(shè)[C]為600 nF，900 nF，檢波器輸出波形如圖9和圖10所示，可以看出，當(dāng)逐步增加[C]時(shí)，二極管包絡(luò)檢波器產(chǎn)生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明顯。對(duì)比分析見(jiàn)表1（R=10 kΩ）。

表1 包絡(luò)檢波器仿真輸出對(duì)比表

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：

（1） 諧振回路在感性失諧和容性失諧時(shí)輸出的FM?AM波波形的異同，雖然都實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的變化，但是諧振回路感性失諧時(shí)，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化一致，即頻率高，幅值大；頻率低，幅值??；容性失諧時(shí)，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化不一致，即頻率高，幅值??；頻率低，幅值大。

（2） 利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載[C]的充放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢波，所以[C]的選擇很重要。[C]過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生惰性失真。[C]太小，高頻波紋大。

圖9 C=600 nF時(shí)檢波輸出波形

圖10 C=900 nF時(shí)檢波輸出波形

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)教學(xué)在講解利用諧振回路的感性失諧、容性失諧特性實(shí)現(xiàn)頻率到幅度的變換輸出的波形和二極管包絡(luò)檢波正常檢波和惰性失真輸出波形特點(diǎn)時(shí)，給學(xué)生的直觀印象不深。而通過(guò)將Multisim仿真軟件引入課程教學(xué)，可以很形象地表達(dá)出波形的特點(diǎn)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生的信心得到提高，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解吸收，教學(xué)效果明顯改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim 10仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（18）：172?174.

[2] 朱高中.基于Multisim仿真軟件在高頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（11）：106?108.

[3] 朱華光.Multisim 10在模擬電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（15）：92?96.

[4] 孫會(huì)麗.電路的分析方法[J].電子科技，2013，26（4）：162?164.

[5] 黃揚(yáng)帆，甘平，劉曉，等.高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（7）：285?287.

[6] 張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7] 周天宏.高頻電子電路實(shí)臉設(shè)計(jì)經(jīng)臉與技巧[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013（3）：177?180.

[8] 朱高中.基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艷香，朱根生，劉志盼，等.基于Multisim高頻電子線路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation

2 單失諧振幅鑒頻電路實(shí)現(xiàn)

圖4是單失諧振幅鑒頻電路。V1是幅值為6 V，中心頻率為1.2 kHz，調(diào)制信號(hào)頻率為100 Hz的輸入調(diào)頻波。[L1]和[C1]組成并聯(lián)諧振回路，實(shí)現(xiàn)頻率到幅度的線性變化。VD，[R]和[C]組成二極管峰值包絡(luò)檢波器，完成對(duì)FM?AM波的檢波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用來(lái)觀察輸入等幅調(diào)頻波和諧振回路輸出FM?AM波的波形，XSC2用來(lái)觀察FM?AM波和二極管包絡(luò)檢波輸出的波形。

圖4 單失諧振幅鑒頻電路

3 單失諧振幅鑒頻電路仿真分析

3.1 頻率?幅度變換分析

要實(shí)現(xiàn)頻率?幅度的變換，[L1]，[C1]組成的諧振回路應(yīng)處于失諧狀態(tài)，那么就要求諧振回路的諧振頻率小于或者大于輸入調(diào)頻波的中心頻率1.2 kHz。

（1） 感性失諧分析

當(dāng)[L1]=102 μF，[C1]=98 μF時(shí)，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為1.59 kHz，大于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路感性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過(guò)并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖5所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?幅度變換的FM?AM波，實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

（2） 容性失諧分析

當(dāng)[L1]=200 μF，[C1]=230 μF時(shí)，并聯(lián)諧振回路諧振頻率為0.74 kHz，小于輸入調(diào)頻波的中心頻率，諧振回路容性失諧，調(diào)頻波經(jīng)過(guò)并聯(lián)諧振回路輸出為FM?AM波，在示波器XSC1可以觀察到FM?AM波形如圖6所示，上面波形是輸入調(diào)頻波，下面波形是經(jīng)調(diào)頻?調(diào)幅變換的FM?AM波，實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的線性變換。

圖5 輸入調(diào)頻波和感性失諧輸出波形

圖6 輸入調(diào)頻波和容性失諧輸出波形

3.2 包絡(luò)檢波輸出

以感性失諧為例，當(dāng)[R]=10 kΩ，[C]=50 nF時(shí)，在示波器XSC2觀察二極管包絡(luò)檢波器輸出波形如圖7所示。當(dāng)[R]=10 kΩ，[C]=100 nF時(shí)，檢波器輸出波形如圖8所示。

圖7 C=50 nF時(shí)檢波輸出波形

圖8 C=100 nF時(shí)檢波輸出波形

從圖7和圖8波形的輸出可以看出，此時(shí)電路雖然都能夠檢波出FM?AM的包絡(luò)信號(hào)，但隨著逐步增加[C]的值時(shí)，輸出信號(hào)的高頻波紋變小，更加接近光滑曲線。繼續(xù)增大[C]的值，設(shè)[C]為600 nF，900 nF，檢波器輸出波形如圖9和圖10所示，可以看出，當(dāng)逐步增加[C]時(shí)，二極管包絡(luò)檢波器產(chǎn)生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明顯。對(duì)比分析見(jiàn)表1（R=10 kΩ）。

表1 包絡(luò)檢波器仿真輸出對(duì)比表

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：

（1） 諧振回路在感性失諧和容性失諧時(shí)輸出的FM?AM波波形的異同，雖然都實(shí)現(xiàn)了頻率到幅度的變化，但是諧振回路感性失諧時(shí)，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化一致，即頻率高，幅值大；頻率低，幅值小；容性失諧時(shí)，F(xiàn)M?AM波的幅值變化和頻率變化不一致，即頻率高，幅值??；頻率低，幅值大。

（2） 利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載[C]的充放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢波，所以[C]的選擇很重要。[C]過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生惰性失真。[C]太小，高頻波紋大。

圖9 C=600 nF時(shí)檢波輸出波形

圖10 C=900 nF時(shí)檢波輸出波形

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)教學(xué)在講解利用諧振回路的感性失諧、容性失諧特性實(shí)現(xiàn)頻率到幅度的變換輸出的波形和二極管包絡(luò)檢波正常檢波和惰性失真輸出波形特點(diǎn)時(shí)，給學(xué)生的直觀印象不深。而通過(guò)將Multisim仿真軟件引入課程教學(xué)，可以很形象地表達(dá)出波形的特點(diǎn)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生的信心得到提高，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解吸收，教學(xué)效果明顯改善。

參考文獻(xiàn)

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Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation