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高频电子线路教学中仿真软件的应用研究

发布时间:2017-11-08编辑:毕业论文

高频电子线路教学中仿真软件的应用研究

  1 引言

  《高频电子线路》是电子类专业学生的必修课,是一门理论性、工程性、实践性均很强的课程,该课程以高等数学、电路分析、信号与系统、模拟电子技术等为前期课程,即便采用多媒体辅助手段以增强效果,但电路原理多、数学推导繁琐、概念抽象,特别是非线性分析方法的应用,使学生普遍反映较难理解和掌握。另外,传统实验不能很好地让学生理解电路的工作原理和信号波形的变化,经常遇到元件虚焊或毁坏、仪器缺乏、性能不稳定等棘手问题,浪费有限的实验时间,影响了实验的正常进行及学生实践的积极性[1]。

  由于近年来的教学改革使课堂学时一度减少,给教学带来较大压力,因而如何采取有效措施提高学生的学习兴趣、增强实践能力、并缓解内容多而学时少的矛盾是亟待解决的问题。仿真软件的应用能形象生动的演示波形、提高学习兴趣、开拓创新思维,为学生在有限的时间内掌握高频电子线路的理论知识提供条件,为高频电路实验开辟一条快捷高效的新途径。目前使用比较普遍的有EWB、P SP ICE等,现以Multisim11.0为例介绍仿真与分析在高频电子线路教学中的具体应用。

  2 Multisim11.0 简介

  Multisim11.0的前身是加拿大图像交互技术公司(Interactive age Technoligics简称IIT公司)于1988年推出的用于电子线路设计和仿真的EDA工具软件[2],被美国国家仪器有限公司(National Instruments简称NI公司)收购后,更名NI Multisim,而V11.0是其于2009年12月推出的电路仿真软件最新版本,学生版、教育版和专业版可提供4000~17000个电路元器件,除虚拟元件外基本采用实际参数模型[3],具有丰富的仿真分析能力。它提供了包括万用表、示波器、函数信号发生器、频谱分析仪、网络分析仪等丰富的测试仪器,并且提供了强大的电路分析手段,如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、噪声图形分析和射频分析等为正确验证电路功能和分析电路参数提供了有力保证。

  另外其操作界面友好、简单直观、创建元器件较为方便,仪器功能选择、参数设置、数据处理及结果显示等均能通过对话完成[4],软件易学易用。在计算机上进行实验,不受时间、地点、设备的限制,可使每位学生通过仿真把理论和实践结合起来,从而加深学生对课程的理解和认识。

  3 Multisim11.0的应用实例

  Multisim软件进行仿真分析的基本步骤为:根据原理和设计需要创建电路原理图,然后根据实际情况设置好电路图选项,设定仿真分析方法,打开仿真开关,运行设计好的电路,借助仿真仪器,即可得到所需仿真结果[1]。

  调制、解调电路是通信设备中的重要组成部分,调制、解调方式在很大程度上决定了系统可能达到的性能,也是高频电子线路课程学习的重难点之一。本文通过调幅及解调电路的仿真,介绍Multisim11.0仿真软件在高频课程教学过程中的应用。

  3.1 普通调幅 (AM)信号的波形仿真

  振幅调制简称调幅,调幅有普通调幅、抑制载波的双边带调幅和单边带调幅等,其中普通调幅是基本的,其他调幅信号都是由它演变而来的。根据AM信号产生的基本原理,在Multisim11.0环境下创建由乘法器组成的普通调幅电路,如图1所示,其中相乘器的增益系数设置为1。

  打开仿真,可见双踪示波器上普通调幅信号与低频调制信号波形对比,如图2所示。

  调整直流电压V3,用以改变电路的调幅系数,当V3=1V时,调幅系数大于1,仿真波形如图3所示,出现过调幅现象,这样的已调波经过检波后无法恢复原有的调制信号,是严重的失真现象,应该尽力避免。

  3.2 双边带调幅波形的仿真

  由于载波不携带信息,为了节省发射功率,可以只发射含有信息的上、下边带,而不发射载波,这种调幅称为双边带调幅[5]。利用Multisim11.0绘制出双边带调制仿真电路,接上载波信号U1、调制信号U2以及示波器,如图4所示,仿真波形如图5所示。

  3.3 二极管包络检波器仿真波形

  二极管构成的包络检波器电路简单,性能优越,应用广泛,也是检波电路学习的难点。包络检波不需要恢复原始载波信号,解调后的输出信号能够反映输入信号的包络,其仿真电路如图6所示。

  打开仿真,并调整电路参数,可以得到解调以后的信号与输入信号的对比如图7(a)所示。但是如果电路参数选择不当,二极管包络检波器就有可能出现惰性失真和负峰切割失真。改变RP1和RP2可以观察到两种失真现象所呈现的波形,如图7(b)、(c)所示。

  4 结束语

  在高频电子线路课程教学过程中引入仿真软件,可以将抽象难懂的内容生动形象地演示出来,并通过改变电路参数得到不同的波形,不仅可以加深学生对理论知识的理解,还有助于提高学习兴趣和实践动手能力。Multisim11.0仿真作为理论教学和实践教学的桥梁,为高频电子线路的功能验证和性能分析提供了一种经济可靠并简单易行的方法,非常值得在课堂教学中推广。

高频电子线路教学中仿真软件的应用研究

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