虚拟高频电路实验教学系统开发研究

孙俊卿,罗云林,黄建宇

摘 要:采用电路仿真软件和多媒体软件开发虚拟高频电路实验教学系统,是对实物实验的有益补充。它不仅可以使学生高效率地完成实验预习,通过仿真得到实验的理论测试数据和波形,为实物实验测试提供参考依据,减少实验的盲目性,也可以开设一些实验成本高或扩展学生知识面的演示性实验。实验方式更加灵活,更有利于激发学生的学习兴趣,提高学生的自学能力和创新意识。

关键词:高频电路;虚拟实验;仿真;多媒体软件

中图分类号:TP311.52文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)20-107-03

Development and Study of Virtual High Frequency Circuit Experiment System

SUN Junqing,LUO Yunlin,HUANG Jianyu

(Civil Aviation University of China,Tianjin,300300,China)

Abstract: The high -frequency electronic circuit experiment system is established by the software of electrical circuits′simulation and multimedia.Students can prepare their experiments,get theory measurement results and waveforms by it which provides reference for the real experiment measurement.The experiments are flexible to improve learning interests,self-learning and innovating ability of students.

Keywords:high -frequency electronic circuit;virtual experiment;simulation;multi-media software

0 引 言

高频电路是通信工程、电子信息工程等电类专业学生的主要专业基础课,通过该课程的学习,使学生掌握高频放大、振荡、高频功率放大以及调制、解调、混频等基本电路的工作原理、性能特点及各种电路的基本分析方法,为学习卫星通信系统、GPS导航系统、光纤通信系统等课程储备基础知识。

高频电路实验与电路实验、模拟电子技术实验和数字电子技术实验相比,具有如下特点:

(1) 因分布参数的影响,使高频电路实验更加复杂。可能会因为一个元件的放置位置,导线的布线等出现测试结果出现较大的误差。

(2) 电路实验、模拟电路实验、数字电路实验通常只研究时域特性,用示波器查看波形,用万用表测量电压、电流即可。而高频电路实验除时域分析外,还要进行频域分析。例如,观察调幅波的频谱。

(3) 高频电路实验线路比电路实验、模拟电路实验和数字电路实验复杂得多,分析和理解更加困难。

随着计算机技术和网络技术的发展,虚拟实验在电子技术实验教学中的应用日益广泛。但目前的研究成果主要集中在电路实验、模拟电路实验和数字电路实验的教学中,高频电路实验几乎是空白。

综上所述,开发虚拟高频电路实验教学系统,将仿真技术应用于高频电路实验教学更具有实际意义。

1 系统的功能

虚拟实验是对实物实验的有益补充,这里开发的虚拟高频电路实验教学系统的主要功能有:

(1) 作为实验预习系统。

传统实验的预习因实验时间和地点的限制,学生往往只能是看实验指导书预习,无法进行实际操作,观察实验现象,预习效率很低,导致学生进入实验室后,教师需要花大量的时间讲解,减少了学生实际操作的时间,不利于实践能力的培养。

该系统设计以中国民航大学对通信工程、电子信息工程专业开设的高频电路实验项目和实验内容为依据,同时兼顾其他高校的实验项目和实验内容。目前,该系统设计有高频放大电路实验、LC和石英晶体振荡实验、调制与解调实验等10个基础实验。借助于该系统,学生可以在一台计算机上查看实验目的、实验原理、实验内容和实验步骤等,还能对实验电路进行仿真分析,得到实验的理论测试数据和波形,为实物实验测试提供参考依据,减少实验的盲目性;也可以任意改变电路参数,观察电路的性能,使实验的预习更加灵活、有效,更有利于培养学生的自学能力。

(2) 作为演示性实验系统。

有些开设成本高、需要仪器设备复杂的实验只能设计成演示性实验。例如,调幅、调频收发机实验就比较复杂,既有高频电路,又有低频电路;既有时域分析,又有频域分析,实物实验室内很难完成综合程度如此高的实验。但借助于虚拟实验可以对这些实验进行演示,使学生建立模拟通信系统的整体概念。目前,该系统中已设计完成了调幅收发机方面的演示性综合实验。

2 虚拟实验系统开发技术分析

开发虚拟实验系统按使用的软件分,主要有以下方式:

(1) 利用LabVIEW构造的虚拟实验系统。

LabVIEW是开发测控仪器和商业软件工具,它既能通过编程进行仿真设计实验,又能通过输入/输出接口,编程完成数据的采集、分析和处理,构建真正的虚拟仪器实验和虚拟实验。LabVIEW提供的界面功能强大,外观接近真实仪器仪表,不但可以开发各种虚拟实验,而且可以作为训练学生掌握信号发生器、示波器、频谱仪等常用仪器、仪表的有力辅助工具。文献[1]给出了使用 LabVIEW开发的RLC电路分析实验。这种开发方法的优点在于开发实验的元件器和仪器仪表与真实的几乎一样,但实现较复杂的电路比较困难,在开发摸拟电子技术实验和高频电路实验方面均没有报道。

(2) 利用Matlab构造的虚拟实验系统。

Matlab具有强大的仿真和计算能力,一直是控制领域里最重要的工具之一,可以用来开发自动控制原理、信号与系统等课程的虚拟实验。文献[2]给出了使用Matlab开发的自动控制虚拟实验,但开发电子技术类的虚拟实验目前尚未有报道。

(3) 自行编程(VB,VC,Java)的虚拟实验系统。

由于自行编程开发的实验系统可以最大程度地适应设备的性能,灵活定制实验的功能和界面。目前有许多学校的研究集中在实物仿真实验上,大多是借助于编程软件和多媒体技术实现的。文献[3]给出了使用VB开发的电工虚拟实验。因编程工作量较大,实现的功能主要集中在电路和数字电路的部分实验,没有全面系统的实现,使用受到限制。

众所周知,基础实验教学主要是以验证理论为主,基础实验中大多为验证性实验。从这个角度考虑,虚拟实验不一定要有实物感,只是以电路符号的形式展示出来是可以的,关键是电路性能的仿真应准确,或能达到目前利用实验箱进行实验的效果。基于该原则,选择了利用VB结合电路仿真软件Multisim开发虚拟高频电路实验系统。利用电路仿真软件自身提供的元器件库、仪器、仪表库和电路分析功能,无需编程,就可以开发出各种功能的实验电路,完全可以满足验证性实验和演示性实验教学的需要。

3 虚拟高频电路实验系统开发方法

虚拟高频电路实验系统的设计内容主要分为两部分:实验界面的制作和实验电路的创建与仿真。

3.1 实验界面的制作方法

VB(全称Visual Basic)是Microsoft公司推出的可视化编程环境,它具有很强的图形界面编程能力,因此在软件设计过程中采用VB制作实验的界面部分。

实验界面的功能是:通过“选择实验课程(选择实验项目)”查看实验原理、实验步骤,还可以将实验结果填入表格,也可以双击查看“实验模拟”进入Multisim界面进行实验仿真或设计电路。界面具有较好的交互性,设有“进入系统、退出系统、上一页、下一页、返回首页”等功能,便于操作。该部分是由VB制作而成的。在设计过程中,主要用到的控件有:标签:用于编辑实验项目的名称;文本框:用于编辑实验目的、实验仪器、预习要求、实验内容和步骤等内容;命令按钮:实现翻页功能或查看电路图;OLE:用于在VB中插入Microsoft office Excel工作表或调用Multisim进行实验仿真。

图1和图2分别为虚拟高频实验系统的主界面和集成电路模拟乘法器MC1596的应用——同步检波器的实验界面中的一页。

图1 虚拟高频实验系统主界面

图2 实验内容界面示例

3.2 实验电路的创建与仿真

Multisim是目前应用最广泛的电路仿真软件,它具有丰富的元器件库;虚拟测试仪器仪表种类齐全,有可以产生正弦波、方波、AM信号、FM信号的信号发生器,其参数可以根据需要自行设置,也有万用表、双踪示波器、频谱仪、失真度仪等测试仪器,可以完成信号的时域与频域分析,仿真结果与真实情况十分接近。因此,利用Multisim可以创建各种高频电路并对电路进行时域和频域分析。

下面以“集成电路模拟乘法器MC1596的应用——同步检波器”实验为例介绍电路创建与仿真方法。

3.2.1 同步检波器原理

一般用包络检波器对普通调幅波进行解调,而对于双边带调幅信号和单边带调幅信号的解调,通常是由同步检波器完成的。解调时需要利用一个与调幅信号的载波同频同相的载波信号。同步检波器有两种:乘积型同步检波器和叠加型同步检波器。图3为乘积型同步检波器框图,其对双边带调制信号的解调原理为:

图3 乘积型同步检波器框图

设输入的双边带信号及同步载波信号分别为:

Vs=Vsmcos Ωtcos ωct;Vc=Vcmcos ωct

式中:Ω为调制信号的角频率;ωc为载波信号的角频率。则乘法器的输出电压为:

V1=KVsVc=12KVsmVcmcos Ωt+

12KVsmVcmcos Ωtcos 2ωct

经过低通滤波器,滤除高频分量,即可得到解调后的低频调制信号:

V0=12KVsmVcmcos Ωt

同理,可分析同步检波器对单边带信号的解调原理。

3.2.2 MC1596芯片创建方法

集成模拟乘法器MC1596的内部结构如图4所示。

Multisim的元件库中并没有MC1596芯片,如直接采用内部电路设计,因MC1596电路太复杂,在Multisim工作区设计较困难,原理也不够清晰。为了简化实验仿真电路,通过MC1596内部结构可以自行创建MC1596芯片,其方法为:运行Multisim进入工作区,将图4中所需的元器件分别从元件库中拖出来,并设置好参数,然后连接导线,即可完成电路图的绘制工作。通过以下操作可以生成MC1596芯片:选中MC1596的内部结构电路部分→点击Place→选择Replace by Subcircuit→输入芯片名称“MC1596”,即可将复杂的电路结构用一个芯片代替,如图5中MC1596部分。

3.2.3 “集成电路模拟乘法器MC1596的应用——同步检波器”实验电路创建与仿真

在上面已创建的MC1596的芯片的基础上,从元件库中将“集成电路模拟乘法器MC1596的应用——同步检波器”实验中所需的信号源、电阻和电容元件从元件库中取出,连接好电路,即可完成实验电路的创建,如图5所示。

图4 MC1596集成模拟乘法器的内部结构

图5 MC1596乘积型同步检波电路

设载波信号的频率、幅度和调制信号的频率、幅度分别为:fc=100 kHz,Vc=200 mV(p-p);fs=1 kHz,Vs=200 mV(p-p)。从Multisim右侧的仪器仪表库中取出示波器连接在电路中,运行电路,可以观察实验的波形,如图6所示。利用频谱分析仪可以观察调幅信号和解调后信号的频谱,调幅信号的频谱如图7所示。

图6 调幅信号和解调信号的波形

图7 调幅信号的频谱

4 结 语

虚拟高频电路实验系统为学生提供了利用计算机实

现高频电路实验预习和电路设计的环境,学生可以在EDA实验室、学生宿舍或网络中心任何一台计算机上完成高频电路实验预习任务,使实验方式变得更加方便、灵活、高效;学生可以根据需要设计各种电路,对电路进行仿真分析,从而更加有效地培养学生的电路分析和设计能力,激发学生的学习兴趣,培养学生的自学能力和创新能力;也可以开设一些设备短缺、扩展学生知识面的演示性实验,实验内容更新不受实验硬件条件的制约。

参考文献

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