EDA技术在高频电路中的应用

唐卫斌，党楠

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000）

EDA技术在高频电路中的应用

唐卫斌，党楠

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000）

为了改变学生在高频电路课程教学中的被动学习状态，达到培养应用型人才的目标，通过将EDA技术的优势与高频电路实验有机结合，丰富实验内容，提高实验效率，使学生积极主动地投入到实验实践中。在实践中，学生很好地完成了高频电路课程实验的各项环节，提高了动手实践能力。表明EDA技术引入高频电路教学能很好地提高教学质量。

高频电路；应用型人才；仿真软件；PCB设计软件

“高频电路”是电子信息与通信类专业一门重要的技术基础课。课程主要内容是通信系统中发射机和接收机的有关高频功能的电路。其显著特点是概念多、电路形式多、工程性和实践性很强，在整个专业体系中处于承上启下的作用，高频电路实践教学是加深和巩固理论知识，培养应用型人才的重要环节[1]。其中主要存在的问题是对仪器精度要求高，高频电路容易受干扰，要想得到满意的结果，调试过程需要细致耐心，观测结果、记录数据需认真仔细[2]。且与学生以前所学过的其它实践内容相比较，难度大了很多，导致一部分学生信心不足，最后得不到清楚正确的实验结论，教学效果不理想[3-4]。因此，调动学生的学习兴趣，提高其动手实践能力便成为高频电路课的首要任务。

1 “高频电路”课程体系结构的构建

为了适应科技飞速发展和提高学生兴趣，应加强学生实践能力和科技创新能力的培养。故可以将课堂理论教学、实验课程与学生课外创新实践作为高频课程教学的三个阶段，形成一个完整的课程结构体系。根据每个阶段的不同特点，有目的地将基本知识、实践技能、方法、研制以及开发系统电路的能力，分别在这三个阶段中实施，培养学生“以探究为基础”的学习，激发他们的求知欲望，培养其探索精神，并让他们掌握基本理论和基本实验技能，通过课外创新实践不断学习提高，获得终身学习和自主发展的能力。

其中，实验课程可以独立设课，并采取开放实验室进行教学。课外科技创新实践是提高和拓展，学生可以自主选题进行创新实验，也可以通过参加国内相关电子设计竞赛获得提高和锻炼。而在实验课程中加入相关EDA软件的教学，则会大大提高学生进行开发实验和课外科技创新的兴趣和成功率[5]。

2 仿真EDA软件的辅助教学

由于直接硬件电路实验刚开始较难出结果，学生做实验兴趣往往不高，因而在做硬件电路实验之前加入EDA仿真软件，让学生先直观地观察电路相关节点的波形信号，提高学生实验兴趣，然后再动手操作实际硬件电路进行实验，提高动手能力。

当前常用电路仿真软件有OrCAD/PSpice、NI/Multisim、AltiumDesigner/AdvancedSim等。其中，OrCAD/PSpice软件传承了Spice仿真内核，具有仿真元件多，模型精确，仿真精度高、速度快、易于收敛、稳定等特点受到广大科研院所、高校和企业采用。

NI/Multisim软件则由于添加了各种虚拟仪器，观察结果更直观，但由于模型不够精确，有时候难于收敛；AltiumDesigner软件PCB设计制作功能强大，仿真功能较弱。

本文以乘法器混频实验为例介绍OrCAD/PSpice软件在高频实验中的仿真应用。

2.1 仿真电路的设计绘制

首先使用OrCAD/Capture绘制如图1仿真电路。该电路是利用三极管Q1～Q8及几个简单电阻、二极管构成模拟乘法器MC1496的内部电路，再由其它基本元件构成混频器，从图1中Vo位置获得乘法器输出信号，最终经过LCπ型滤波器选出差频分量，即从Vout位置获得中频信号。在整个设计绘图过程中，不仅使学生熟悉了软件的使用，而且让学生巩固了芯片MC1496的工作原理以及混频电路的构成[6]。

通过对π型滤波器计算和仿真调试，最终获得元件参数如图1所示，带通滤波器中心频率为1.5 MHz。

2.2 启动仿真，完成实验

在信号源V1位置提供6 MHz，100 mV本振信号，在V2位置提供4.5 MHz，15 mV载波信号。启动仿真，观察Vout中频输出，得到电压波形如图2所示，OrCAD/PSpice软件可以将时域波形进行离散傅立叶分析得到频谱图，这是其它软件所没有的。

图1 乘法器混频实验仿真电路

图2 中频输出波形1

图2的频谱如图3所示。可见获得的是频率为1.5 MHz的正弦信号。说明电路的混频滤波功能正常。在信号源V1位置提供6 MHz，100 mV本振信号，在V2位置提供7.5 MHz，15 mV载波信号。启动仿真，观察Vout中频输出，得到电压波形仍然如图2所示，频谱图仍然如图3所示。说明7.5 MHz正弦信号为4.5 MHz的镜像干扰信号，并满足：镜像频率-载波频率=2中频频率。

更改信号源V2为调幅度为0.9，1 kHz调制4.5 MHz的调幅波，仿真观察到中频输出波形如图4所示。其频谱图仍然如图3所示。可见混频输出就是1.5 MHz，调幅度为0.9的调幅波。

图3 中频输出波形的频谱

图4 中频输出波形2

如图5所示为模拟乘法器的输出波形。总体上看，基本上是调幅波。图6是其频谱，总图上看，除了较大的直流及低频成份，还存在其他谐波成份，如8.5、1.5、12 MHz，最大谱线出现在10.5MHz。多种谐波出现是非理想乘法器必然的结果。

图5 模拟乘法器输出波形

学生学会仿真以后，可以非常方便地通过调整电路中相关元件的参数，来改变电路的功能特性。如可以通过调整LCπ型滤波器电感电容参数而改变该混频器的中频频率到10 MHz以上。这是在实际实验中难以达到的[7]。

图6 乘法器输出波形频谱

到此，基本混频器仿真实验就结束了。然后再引导学生在具体的电路上做实物实验，由于有了仿真实验的基础，提高了学生的实验兴趣，巩固了理论知识，学生就可以较快地调试出实物实验，对理论知识进行了很好的加强[8]。

3 PCB设计软件的扩展教学

常用PCB设计软件有AltiumDesigner（简称AD）软件、OrCAD/PCB、Allegro/PCB、NI/Multiboard等软件。其中AD软件的PCB设计制作功能比较强大，且在中国大陆广泛被应用。因此可以对学生教授利用该软件绘制如上电路的PCB版图。

首先利用AD软件绘制电原理图，由于图1所示的仿真图只是核心电路，所以此处要添加输入、输出端口：本振输入、载波输入和混频输出、乘法器输出测试端口；还要添加电源端口，该电路采用+/-12 V供电。另外为了用电安全还要添加电源开关S1，以及电源指示发光二极管D1和D2。

由于AD软件采用的是集成库，所有一般不用再专门制定元件封装(footprint)。编辑完原理图，即可设置PCB规则等相关参数。然后生成PCB文件，导入网表，对端口元件（包括电源，输入输出端口）进行合理布局，再放置其它元件到合适位置，利用AD软件完善的布线功能，即可生成电路的PCB版图。最后在版图适当位置放置相关文字说明以便识别各端口及重要信息。最终获得的版图如图7所示[9]。

然后就可以指导学生在实验室生成该实验电路板，或直接送至厂家生产。最后可以指导学生进行组装该实验电路模块。如果制作合格就可以应用到实际实验过程中。

图7 集成乘法器混频实验PCB版图

4 结语

该高频课程教学方案具有如下特点：

1）能更好地完成“巩固加深课堂理论学习”的根本目的

本方案的内容覆盖了高频电路课程教学的各个环节。不仅能够通过仿真验证各基本电路功能的目的，还能使学生通过仿真理解掌握各基本电路在整机中的作用、相互之间的联系，从而使学生学得更踏实，理解的更深远。特别是在仿真前对实验线路进行计算和设计，然后通过仿真验证工程计算的正确性以及可行性，有助于理论与实践的紧密结合[10]。

2）有利于对学生实际应用、动手能力的培养

学生可以自行设计实验线路或者实验系统，通过仿真验证及调试后利用AD软件设计制作PCB版图，最终完成整个电路制作，并进行软硬件综合调试。将理论知识最终应用到实际生活中。这种综合训练是传统实验模式无法进行的。极大地增加了学生的实践动手能力，以及科技创新的兴趣。这是应用型人才培养的重要一环。也是其它课程理论可以借鉴的方法。

本方案应用于商洛学院电子信息工程和电子信息科学与技术专业150余名学生的高频课程教学，实践表明大部分学生都能以极大的热情投入到教学实践中，都能够独立完成单元电路的仿真设计及制作，大部分作品都能够正常工作。表明EDA技术引入高频电路教学能很好地提高学生的动手实践能力及教学质量。

[1]宫芳,高敬鹏.“高频电子线路”研究性教学的探索与实践[J].中国电力教育,2010(25)：106-107.

[2]姜忠莲,马幼军,张宏斌.高频电路综合实验系统的研究和开发[J].实验技术与管理,2001,18(1)：61-63.

[3]唐卫斌.基于PSpice的升压型开关稳压电源设计与仿真[J].电子科技,2012,25(1)：27-30.

[4]张奕雄.基于OrCAD电路设计软件的高频电子线路仿真分析[J].电子设计工程,2011,19(11)：142-144.

[5]蒋燕妮,吴苏.基于EDA技术的数字电子技术虚拟实验系统探究[J].电子技术,2012(7)：47-50.

[6]唐卫斌,刘宝盈.Multisim在高频电路课程教学中的应用[J].商洛学院学报,2011,25(4)：18-22.

[7]孙俊卿,罗云林,黄建宇.基于Multisim的高频电路实验教学研究[J].实验技术与管理,2010,7(27)：80-83.

[8]高远,姚澄,朱昌平.高频电子线路仿真实验的设计与实现[J].实验室研究与探索,2009,28(2)：85-88.

[9]殷明,朱昌平,朱陈松,等.高频电路实验教学与学生实践创新能力培养[J].实验技术与管理,2010,27(4)：108-110.

[10]邓洪波,麦旭均.理论与实践紧密结合深化高频电路教学改革[J].实验室科学,2013,16(5)：66-68.

（责任编辑：李堆淑）

The Application of EDA Technology in the High Frequency Electronic Circuit

TANG Wei-bin,DANG Nan
(College of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo726000, Shaanxi)

In order to change the passive learning status of students in the teaching of high frequency circuit course,meet the target of cultivating applied talents,through the organic combination of the advantage of EDA technology and high frequency circuit experiment teaching,enriching experiment contents,the efficiency of the experiment is improved,and students were attracted actively in the experiment and practice.In practice，each link of experiments was accomplished very well by students with great interest,and their practical ability was greatly improved.So the introducing of the EDA technology into the high frequency circuit teaching can improve teaching quality greatly.

high frequency electronic circuit,applied talents,simulation software,PCB design software

G712

A

1674-0033（2015）02-0055-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.02.014

2015-01-21

商洛学院教育教学改革研究项目（13JYJX137）

唐卫斌，男，陕西商州人，硕士，讲师