Multisim在“通信电子线路”实验教学中的应用

唐 路，苗 澎，田 玲

(东南大学信息科学与工程学院，江苏南京 210096)

“通信电子线路”课程是通信专业本科生必修的一门基础课程。该课程的主要任务是让学生了解和熟悉通信系统的组成电路，初步掌握通信电路的设计方法［1］。

然而，由于该课程的实验教学和理论课教学存在着脱节滞后的状况，目前国内各院校使用的电工电子实践系列教材中少有专门针对“通信电子线路”的EDA虚拟仿真实验，这与目前国外高水平大学通信电子线路EDA虚拟仿真实验较高的发展水平相比存在很大的差距。因此，我们认为应在实践环节通过安排EDA虚拟仿真实验，来帮助学生巩固所学的理论知识。

我校自2009年起，开始为信息工程专业三年级本科生开设了“电子电路与综合实验”课程，作为“通信电子线路”的配套实验课程。作为该实验课程的教学内容，我们设计了基于NI Multisim软件平台的通信电子线路EDA虚拟仿真实验。

1 Multisim软件平台

采用Multisim软件平台进行电路仿真的基本步骤为:①根据电路的性能指标，设计仿真电路原理图;②根据实验需要对仿真选项进行设置;③对电路进行仿真，并借助使用Multisim提供的虚拟仿真仪器，观察仿真结果［2］。

下面以我们针对本课程教学所设计的几个EDA虚拟仿真实验为例，介绍Multisim软件平台在“通信电子线路”实验教学中的应用。

2 无源混频器实验

在发射系统中，混频器(上变频)把已调制的信号频谱搬移到射频频段用于发射;在接收系统中采用作下变频，把接收的射频信号搬移到中频后进行解调［3］。

理想混频器是把两输入信号在时域中相乘:Acosα*Bcosβ =AB［cos(α + β)+cos(α-β)］。然后根据不同的需要，用滤波器滤除不需要的频率分量后提供给下一级电路。现以下变频为例，令两个端口的输入信号分别为射频与本振信号;第三端口的输出信号为中频信号。

混频器的输出电流值为

其中RD为混频器的内阻，RL为所接负载的阻抗，ωL为本振信号的角频率，ωR为射频信号的角速度，URm为射频信号的幅值。

混频器可以分为无源混频器与有源混频器两大类。无源混频器通常由非线性器件或开关元件构成，电路简单。但变频增益小于1。图1为一个二极管环形无源混频器电路原理图。

图1 二极管环形混频器电路原理图

根据该电路原理图，在Multisim软件平台上选取相应的器件，构成如图2所示的实验电路。在变压器T1处加入射频信号V1，在变压器T2处加入本振信号V2。其中的V2输入信号的Voltage(RMS)值设为10V，Frequency设为1kHz;而将V1输入信号的Voltage(RMS)值设为0.5V，Frequency 设为100Hz。

图2 二极管环形混频器实验电路

实验电路构造完成后，点击Multisim主菜单下Simulate→Analysis→Fourier Analysis选项，便可弹出Fourier Analysis对话框，进入傅里叶分析状态。

Fourier Analysis对话框有 Analysis Parameters、Output、Analysis Options和Summary共四个选项卡。在Frequency Parameters选项卡中我们将采样频率frequency resolution设置为100Hz(这时通过点击“Estimate”，由程序自动设置)，采样包络数Number of Harmonics设置为40，取样停止时间一栏点击“Estimate”，由程序自动设置。在Output选项卡中，将图2中电阻R1的电压(对应于图2中节点7)设为所需分析的变量。全部设置完毕后，先点击“OK”，再点击“Simulate”，开始对电路进行傅里叶分析。

图3给出了电路的仿真结果。由图3(a)可见，输出信号中900Hz频率分量的幅值为0.44989V，1100Hz频率分量的幅值为0.449832V;由图3(b)可见，2900Hz频率分量的幅值为 0.149197V，3100Hz频率分量的幅值为0.149138V。其中900Hz频率分量与1100Hz频率分量幅值基本相同;2900Hz频率分量与3100Hz频率分量幅值基本相同;900Hz频率分量与2900Hz频率分量幅值之比为0.44989/0.149197=3.016。上述结果符合式(1)中的各个频率分量之间的关系。

图3 混频器仿真结果

3 A类射频功率放大器实验

射频功率放大器的工作特点是低电压、大电流。其基本组成单元包括晶体管、偏置电路、扼流圈、阻抗匹配网络与负载。射频功率放大器的主要参数除了常规的工作频率、小信号增益等指标外，还要特别考虑输出功率和效率等参数。射频功率放大器按照电路中晶体管输出电流与输入电压或电流的关系可分为线性功率放大器与开关功率放大器。

A类射频功放输出信号为输入信号的线性函数，又称为线性功率放大器。若输入信号为正弦信号，可得到如下参数。

交流输出功率为

电源总功率为

输出效率为

式中，VCC为电源电压，ω为输出交流信号的角频率，RL为功率管负载阻抗，Icm为集电极信号电源幅度，ICQ为静态工作点电流。根据电路原理图，我们在Multisim中选取相应的器件，构成如图4所示的A类射频功放实验电路。

图4 A类射频功实验电路

此时，双击函数发生器，将输入信号设置为1MHz，幅值为40mV的正弦波信号。

函数发生器设置完成后，调整可变电阻的百分比(推荐调整到70%)，以保证整个电路的直流工作点满足A类射频功放的要求。随后，按下Simulation Switch工具栏中最左侧的“Run”按钮。运行一段时间后，按下该工具栏最右侧的“Stop Simulation”按钮，并观察示波器中双踪显示的输入输出信号的波形，以及毫安表和功率表中的相应的读数。图5为示波器的输出结果。由图5可知，电路的输出端可得到一个与输入信号方向相反的信号，电压放大倍数约为5000/20=250。

图5 示波器的输出波形

由图6可知，毫安表的读数为3.227mA，功率表相应读数为12.407mW。

图6 毫安表与功率表的度数

根据上述观察结果，当VCC=12V时，可计算出此A类射频功放的输出效率为

4 结语

将NI Multisim软件引入“通信电子线路”实验教学，体现了理论与实践相结合的教学方法。通过实验的开展，引导学生通过实验预习、动手与反复思考和总结，掌握通信电子线路的特点，学会观察与分析通信电路的基本设计方法，起到了良好的教学效果。

［1］ 顾宝良.谈谈开设通信电子线路课程的必要性［J］.南京:电气电子教学学报，2000，22(3):20-22

［2］ 李桂安主编.电工电子实践初步［M］.第2版.南京:东南大学版社，2010

［3］ 顾宝良，苗澎，朱萍编著.通信电子线路［M］.第2版.北京:电子工业版社，2007