Multisim11在高频电子线路教学中的应用

　　摘 要： 为了提高高频电子线路课程的教学质量， 把电路仿真软件Multisim 11 用于教学实践， 设计实现了平衡调幅电路、乘积型同步检波电路、调频信号产生电路及锁相环鉴频电路。基于采样点数、显示频率及频率分辨率的关系， 确定了频谱分析仪的默认采样频率， 并给出清晰的测试点频谱图。在教学实践中， 通过对仿真电路的理论分析和生动直观地展现仿真结果， 不仅使学生加深了对理论知识的理解， 还有助于提高学生的电路设计能力。

　　0  引 言

　　高频电子线路是电子通信类的技术基础课程之一， 涉及到通信系统中高频单元电路的功能、结构及性能分析等理论知识， 同时也具有培养学生高频电路设计实践能力的教学目的。

　　在该课教学中， 引入多媒体有利于提高课堂教学容量、展现复杂的电路图和波形图， 但原理电路和理论分析得出的波形及公式结论缺乏真实感; 实验课是加深理论知识的学习和培养电路实践能力的重要环节， 但由于不能保证实验与理论的同步进行， 使得实验与理论知识联系不够紧密， 而实验电路通常所采用模块化设计， 束缚了学生的创造力， 对实践能力的提高作用有限 。

　　近年来， 电路仿真软件的涌现和功能的不断完善为解决上述困境提供了良好的平台，把电路仿真实验引入到理论教学中， 既加深了学生对理论知识的理解，又激发了学生利用仿真平台进行电路设计的积极性， 进而起到了联系理论学习和实践能力培养的纽带作用。

　　1  Multisim 11 仿真软件简介

　　Mult isim 11 美国国家仪器公司（ Nat ional Inst rument s, NI） 于2009 年12 月推出的电路仿真软件版， 学生版、教育版和版可提供4 000~ 17 000 个电路元器件， 除虚拟元件外基本采用实际参数模型， 所实现的仿真具有较强的真实性。该仿真软件提供了丰富的测试仪器，如万用表、示波器、函数信号发生器、扫频仪、失真度测量仪、频谱分析仪、网络分析仪等， 并且提供了强大的电路分析手段， 如电路的瞬态分析、稳态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析等。全面的电路分析手段为正确验证电路功能和分析电路参数提供了有力保证。

　　2  基于Multisim 11 的高频电路仿真

　　调幅和调频及其解调电路是高频电子线路中的重要知识内容， 教学中的理论分析和数学推导较多， 学生理解和掌握存在一定的困难。结合Mult isim 11 强大的电路设计仿真功能进行教学， 不仅可以把仿真电路及其测试结果直观地展现出来， 加深对理论知识的理解并提高学习兴趣， 通过布置任务让同学自己亲身体验电路的实际仿真测试结果， 还能加强对学生电路设计能力的培养。

　　2. 1  二极管平衡调幅电路

　　二极管平衡调幅电路如图1 所示。在电路中载波信号频率为150 kHz, 载波振幅为1 V, 调制信号频率为1 kHz, 调制信号振幅为50 mV, 载波使二极管工作于开关状态。在仪表中选择示波器和频谱分析仪。

图1 二极管平衡调幅电路

　　设定的频谱范围是140~ 160 kH z, 显示频率为f max = 160 kHz。频谱分析仪的默认采样点数为N = 1 024, 此时的频率分辨率为Fmin = 625 Hz, 可得频谱分析仪的默认采样频率为f s = NFmin / f max = 4, 即采样频率为频率的4 倍。

　　若设置FFT 采样点数设置为N = 8 192, 此时频率分辨率为Fmin= f s/ N = 78. 125 Hz。

　　在教学中， 首先引导学生分析该仿真电路， 然而确定电路可以得到抑制载波的双边带调幅信号（ DoubleSideband Signal, DSB） , 再利用示波器和频谱分析仪给出图2 的仿真分析结果。

图2  平衡调幅信号波形及频谱

　　由图2（ a） 可以看出平衡调幅信号包络变化不能完全反应调制信号的变化规律， 由图2（ b） 可清晰地分辨出两条谱线的频率分别为149 kHz 和151 kHz, 正好是载波信号与调制信号的和差频。

　　2. 2  乘积型同步检波电路

　　利用模拟乘法器可实现平衡调幅、同步检波及混频等多种高频电路的功能。

　　图3 为利用乘法器实现同步检波的仿真电路。在电路中首先利用模拟乘法器得到调幅信号， 然后再用另一个模拟乘法器实现同步检波。需要说明的是在Mult isim 11 中有实际的模拟乘法器器件AD734，此处为了更加直观简洁地展示乘法器的功能及各测试点的波形频谱， 仅采用了虚拟的模拟乘法器器件完成功能， 可布置任务让学生采用AD734 完成电路设计。图4 给出了各点的波形及频谱。

图3 乘积型同步检波器

　　图4（ a） 为同步检波产生出的1 kHz 和201 kHz 的信号的频谱， （ b） 为经低通滤波后恢复出的1 kHz 信号频谱， （ c） 中由上至下分别为已调信号、未滤波的同步检波输出和滤波后的检波信号波形。

图4 同步检测器各测点的波形及频谱

　　2. 3  调频信号产生电路

　　调幅信号频谱是调制信号频谱的线性搬移， 而调频信号的频谱却是其调制信号频谱的非线性变换。为了使学生更加直观地理解调频信号的波形及频谱特点，需产生较大频偏的调频信号， 而利用变容二极管实现的调频电路一般难于获得较大的频偏， 故采用如图5 所示的压控振荡器来产生调频信号。

图5调频信号的产生电路

　　其中调制信号采用直流电压偏移量为1 V，振幅为1 V 的1 kHz 低频信号源， 而压控振荡器在控制电压为0~ 2 V 时， 设置的振荡信号频率为15~ 25 kH z, 输出电压振幅为1 V。

　　根据设置参数可知， 载波频率为20 kHz, 频偏为5 kHz, 调频指数为mf= 5。根据类贝塞尔函数的特性可知， 当边频次数n> mf + 1 时， 恒有J n+ 1 （ mf ）< 0. 1, 因此分析可知此电路产生的调频信号频谱的第7 次边频幅度小0. 1 V。而由图6 给出频谱图验证了这一结论的正确性。

图6  调频信号波形及频谱

　　2. 4  锁相鉴频电路

　　对于调频信号的解调可采用的鉴频电路很多， 例如， 锁相鉴频器、互感耦合相位鉴频器、比例相位鉴频器、乘积型相位鉴频器及斜率鉴频器等。

　　图7 所示为锁相鉴频电路， 电路中锁相环的低通滤波器上限截止频率设定为2 kHz, 鉴相灵敏度为0. 25 V/ rad。图8 为锁相鉴频输出信号波形， 从中可看出锁相环路捕捉锁定的全过程。

图7 锁相鉴频电路

图8 锁相鉴频输出波形

　　3  结语

　　基于Mult isim 11 电路仿真软件设计实现高频仿真电路， 通过仿真电路的分析和各测点的波形及频谱的直观展示， 不仅可以使学生加深对理论内容的理解和掌握， 还可提高学生学习高频电子线路的学习兴趣， 使一些原本对电路设计望而生畏的同学， 开始了从仿真电路入手的电路设计， 为高频电子线路的理论学习和实践能力培养搭起了桥梁。