時(shí) 翔

(常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)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(xué)手段是通過(guò)教師講解，教授學(xué)生理性知識(shí)后，再讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)踐動(dòng)手驗(yàn)證與探討，以獲得理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。這種方法在實(shí)際教學(xué)中，由于缺乏理性與感性認(rèn)識(shí)之間的必要銜接，許多學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材、目的和操作認(rèn)識(shí)不清，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果未能準(zhǔn)確預(yù)知，實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)實(shí)踐達(dá)不到預(yù)期效果。將EDA工具M(jìn)ultisim軟件引入“通信電子線路”課程的教學(xué)，能夠使學(xué)生在獲得書(shū)本上的理性知識(shí)后，及時(shí)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境鞏固和熟悉原理，選擇元件、設(shè)計(jì)電路、計(jì)算與調(diào)整參數(shù)以及觀測(cè)仿真結(jié)果，及時(shí)獲得感性認(rèn)識(shí)。［1－2］在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室后，既不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)器材和電路感到陌生，也不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、操作和結(jié)果未有預(yù)知，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了轉(zhuǎn)化知識(shí)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(xué)提供虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境;使學(xué)生熟悉儀器和元器件的使用;其易用性使學(xué)生能夠?qū)⒕性陔娐返睦斫馀c學(xué)習(xí)上;能夠更為有效地排除教學(xué)故障。該軟件易于使用，其中的儀器和元器件與實(shí)際器件極為相似。利用Multisim建立通信電子線路的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生通過(guò)虛擬儀器可以理解實(shí)際操作過(guò)程，不必顧慮元器件和儀器的損壞，節(jié)省了時(shí)間和成本，為真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)操作打下了基礎(chǔ)。［3－7］

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)

“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(shù)基礎(chǔ)課程，理論性與實(shí)踐性極強(qiáng)。課程研究的主要內(nèi)容是由無(wú)線通信系統(tǒng)的基本原理與基本電路組成，使學(xué)生了解通信系統(tǒng)的功能和應(yīng)用，掌握通信電路中各個(gè)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(shè)計(jì)的能力。

在通信電子線路虛擬實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)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(jī)和接收機(jī)兩大功能模塊，并分別在通信發(fā)射機(jī)模塊中建立正弦波振蕩器、調(diào)制器、高頻功率放大器功能子模塊，在通信接收機(jī)模塊中建立高頻小信號(hào)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(shí)現(xiàn)形式(可選、可調(diào))。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和需求，學(xué)生逐步從功能子模塊的學(xué)習(xí)過(guò)渡到發(fā)射/接收功能模塊的學(xué)習(xí)，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(jī)/接收機(jī)模塊及其功能子模塊

3 Multisim實(shí)踐應(yīng)用

在課程中應(yīng)用 Multisim軟件的輔助教學(xué)步驟如圖2所示。學(xué)生在完成理論學(xué)習(xí)后，在教師的引導(dǎo)下，進(jìn)入Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)室，首先進(jìn)行功能子模塊的功能驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)固定參數(shù)電路的仿真與觀測(cè)，完善對(duì)理論的理解;隨后改變功能子模塊的電路參數(shù)，通過(guò)仿真與觀測(cè)，進(jìn)行深入的理論學(xué)習(xí)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(diào)制器、高頻功率放大器、高頻小信號(hào)放大器、混頻器、檢波器6個(gè)功能子模塊為例，闡述Multisim對(duì)各功能電路工作原理的理論分析、功能驗(yàn)證和探討。［3－7］

3.1 正弦波振蕩器

圖2 Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)室輔助實(shí)踐教學(xué)流程

以電感三點(diǎn)式振蕩器為例，其電路圖如圖3(a)所示，其反饋信號(hào)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(diào)整方便，只需調(diào)整振蕩電容就可得到線性的振蕩頻率，但由于電感對(duì)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(jié)電容并聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，當(dāng)振蕩頻率過(guò)高時(shí)，將產(chǎn)生容性失諧，輸出的波形如圖3(b)所示。

圖3電感三點(diǎn)式振蕩器

3.2 調(diào)制器

以基極調(diào)幅電路為例，其電路如圖4(a)所示，基極調(diào)幅電路的調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)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(fù)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(huì)理論分析的結(jié)果，并根據(jù)示波器的刻度算出調(diào)制系數(shù)。隨后，學(xué)生可以改變載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的幅度的比例，即改變振幅調(diào)制系數(shù)，觀察不同ma時(shí)的輸出波形，進(jìn)行進(jìn)一步探討。

圖4 基極調(diào)幅調(diào)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(jī)末級(jí)功率放大器和末前級(jí)功率放大器中，主要對(duì)高頻信號(hào)的功率進(jìn)行放大，使其達(dá)到發(fā)射功率的要求。一個(gè)典型的高頻功率放大器電路如圖5(a)所示，其電路特點(diǎn)是:晶體管工作在丙類，負(fù)載為并聯(lián)諧振回路，調(diào)諧在輸入信號(hào)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(xué)生在完成功能驗(yàn)證后，可以改變輸入信號(hào)和諧振負(fù)載，瞬態(tài)可見(jiàn)集電極電流為一串尖脈沖，進(jìn)行進(jìn)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(fù)載電阻，通過(guò)觀察電阻上電壓顯示電流情況。)

3.4 高頻小信號(hào)放大器

高頻小信號(hào)放大電路主要由晶體管、負(fù)載、輸入信號(hào)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(fù)載為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振電路，調(diào)諧在輸入信號(hào)的頻率上，該電路能夠?qū)斎氲母哳l信號(hào)進(jìn)行放大。從示波器中觀察到相關(guān)波形如圖6(b)所示。由圖形可見(jiàn)，高頻小信號(hào)諧振放大電路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)反相，且輸出信號(hào)比輸入信號(hào)的幅度大許多。

如圖6(c)所示，通過(guò)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(hào)放大器

3.5 混頻器

用乘法器實(shí)現(xiàn)的混頻電路如圖7(a)所示，圖中L1、C1、R2構(gòu)成中頻濾波器，諧振頻率為60 kHz。模擬乘法器對(duì)AM 信號(hào)與160 kHz的本振信號(hào)進(jìn)行差頻，通過(guò)濾波器將差頻信號(hào)輸出(圖中調(diào)幅信號(hào)取ma為0.8)

圖7 混頻器

3.6 檢波器電路

包絡(luò)檢波器只能解調(diào)已調(diào)信號(hào)包絡(luò)隨調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的普通調(diào)幅波，而DSB和SSB信號(hào)的包絡(luò)不直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，只能用同步解調(diào)的辦法解調(diào)。圖8(a)所示為用乘法器實(shí)現(xiàn)的同步檢波電路。電路中第1個(gè)乘法器用來(lái)實(shí)現(xiàn)DSB信號(hào)，該信號(hào)作為第2個(gè)乘法器的輸入信號(hào)，與插入載頻(與載頻同頻同相)相乘。然后經(jīng)低通濾波器輸出，即可得解調(diào)信號(hào)，如圖8(b)所示。

圖8 同步檢波器

4 結(jié)語(yǔ)

利用Multisim軟件，建立“通信電子線路”課程的虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的良好過(guò)渡與結(jié)合，使學(xué)生的學(xué)習(xí)遵循從理論到建模、從仿真到動(dòng)手的獲取及探討知識(shí)的科學(xué)過(guò)程，從而使教學(xué)流程更加合理和完整。學(xué)生直觀地看到電路的構(gòu)成、信號(hào)的產(chǎn)生和變化，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，有助于對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，還可促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的提高，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。未來(lái)的教學(xué)改革中，一方面將繼續(xù)完善Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)室，突出其功能性與交互性，一方面更加突出主體，促進(jìn)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、課外科技發(fā)明與創(chuàng)新。

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