基于Proteus仿真软件的高频电路实验教学研究

杨友福 殷敬伟 周天 李杨

摘  要：高频电子线路实验作为电子通信类专业学生的一门专业基础实验课程，学生实验时普遍反映抽象难懂、不易操作、容易出错，将Proteus软件引入到课程中，强化“软硬结合、先仿真后实验”的教学理念。利用Proteus软件对高频实验课程中的高频小信号调谐放大电路进行仿真分析，观察了输出信号波形、幅频特性响应、谐振频率、通频带等指标参数，并与实物电路测量的数据进行比较，获得了一致的结论，将理论上抽象难懂、实验中调试繁琐的课程变得生动形象、简单易作，既提升了学生动手实践能力和创新能力，又能提高学生掌握现代仿真工具软件、形成先进设计理念和思维能力，达到了学生能力培养、教学效果提升的目标。

关键词：高频电路;Proteus仿真软件;实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）07-0067-03

Abstract： High frequency electronic circuit experiment is commonly an experiment-based course in studying telecommunication. However， the negative feedback from undergraduate students is generally present in the experiments， including difficult understanding， complex operation， as well as error-prone when the students run such the experiments. With this in mind， we introduce Proteus simulation to the lecture to achieve a novel teaching philosophy through the combination of software and hardware， and thus the target course can be simulated before doing experiments. The Proteus simulation analysis of amplifying circuit with high frequency and little signal was implemented and used to observed in real-time the waveform of output signal， amplitude-frequency response characteristics， resonant frequency and transmission bands. The results indicate that the simulations were agreement well with the circuit experiments. It is suggested that Proteus simulation use is an efficient way to solve the problems existed in traditional teaching. Additionally， the students could have a good opportunity to master the modern simulation tool software so that perform likely advanced design ideas with relatively high ability. It clearly to see that the teaching approach proposed in this study achieved eventually the goals for both cultivating students and improving teaching quality.

Keywords： high frequency circuit; proteus simulation; experiment teaching

引言

实验教学既是知识传授的手段，也是将理论知识升到指导实践的过程，更是基本工程素质、实践能力和创新能力培养的有效途径。高频电子线路作为通信、电子信息相关专业核心基础课程，理论性强、知识点多，对学生实践能力要求高[1]。高频电路实验作为一门与理论课相配套的专业实践课程，课程内容安排及课程组织实施灵活性强，课程效果好，则有助于学生夯实理论知识、提高动手实践能力和创新能力，为后续课程设计、毕业设计乃至就业深造等打下牢固的实践基础。课程效果一般，对学生缺乏吸引力、不能激发学习兴趣、学生个性和创新能力将得不到彰显，教学目标不能达成。如何提高高频实验课程教学质量与效果，如何通过实验课程促进学生各方面综合能力提升，是授课教师必须认真思考和研究的课题[2]。

为了提高学生对高频实验课程兴趣，提升课程吸引力、增强学生实验主动性，同时能达到提升教学质量效果、培养学生能力的目标，哈工程水声学院通过本科课程教学改革立项的契机推进高频实验课程改革，构建先虚拟后实物、先仿真后實验的教学模式，将理论上抽象难懂、实验中调试繁琐的课程变得生动形象、简单易操作，从而达到预期目标。本文以高频小信号放大电路为例，说明了Proteus软件在实验教学中的仿真分析和应用。

一、实验原理

高频小信号放大器广泛用作高频和中频放大器，特别是用在通信接收端的前端电路，其主要目的就是实现对高频小信号的放大[3]。放大器的负载是采用具有放大、滤波和选频作用的LC谐振回路，由于LC谐振回路的阻抗随着频率变化而变化，理论上可以分析得出，并联谐振在谐振频率处呈现纯阻，并达到最大值，即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益，若偏离谐振频率，输出增益则减小。

衡量高频小信号放大器的质量指标主要有[4]：

谐振频率，放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，对于LC组成的并联谐振电路，谐振频率的表达式为：

f=

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量;C为调谐回路的总电容。

谐振增益，放大器的谐振电压增益为放大器处在谐振频率下时输出电压与输入电压之比。

Av=201g（Vo/Vi）dB

通频带，由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率偏移量为放大器的通频带带宽，通常用BW表示，有时也称为3dB带宽，可表示为：

BW=fH-fL=2△f0.7=fo/Q

式中，Q为谐振回路的有载品质因数。

二、Proteus软件仿真

Proteus软件由英国Labcenter公司开发的EDA工具软件，软件功能强大，集电路设计、制版及仿真等多中功能于一身，是目前最先进、最完善的可视化设计仿真平台[5]。Proteus軟件拥有强大的元件库和丰富实验的仿真工具，电路仿真功能可以和Multisim媲美[6]，单片机仿真功能则让后者及其他仿真软件望尘莫及，经过近20年的发展和推广，该软件越来越受到电子设计者的青睐和广泛使用。

实验仿真电路如图1，电路以高频晶体管为核心部件，采用正、负5V双电源供电，集电极采用LC并联回路作负载。仿真时，输入端输入峰-峰值Vpp=50mV的正弦波信号，信号频率可通过面板改变设置，通过示波器、交流表等仿真仪器观察电路输出波形和指标值。学生可以利用逐点测量法或频率响应分析工具等方式测量并计算电路谐振频率、谐振增益、通频道等指标参数，也可以通过改变元件参数的方式研究电路静态工作点和谐振特性变化情况。

仿真输出信号波形及电路幅频特性曲线如图2和图3所示，可以看出当输入信号频率f=650KHz时，输出端具有最大增益，为12dB，此时电路处于谐振状态，在谐振频率两边电路放大增益下降，从中可以读出电路对信号通频带为330KHz。

三、实验操作

在实验过程中，学生首先利用课堂所学的理论知识，进行高频小信号放大电路的设计和计算，此阶段有助于学生掌握所学的基础理论知识;之后利用Proteus软件进行建模仿真，通过仿真实验现象分析电路参数，验证此前理论计算的正确性，此阶段有助于学生掌握Protues软件和深化对实验原理与方法的理解，做到进入实验室前的有的放矢;最后学生进入实验室，自己动手搭建高频小信号放大电路，并进行电路指标测试和调试，此阶段有助于学生理解实物与仿真的区别和联系，提升动手和解决问题能力。

实物电路及测量结果如图4和图5所示，电路元件参数和输入信号同仿真一致，其中利用点频测量的方式寻找增益最大点和3dB带宽，可得到增大增益约为10.4dB，带宽约为320khz，仿真与实验结果基本一致，通过这种软硬结合、先虚后实的实验教学模式，使学生提前了解实验流程、预期实验成果和现象，具有便捷、省时、安全等特点，软件仿真也极大地降低了实物操作过程中的实验器材、元件损坏等误操作发生，同时也提升了学生的实验设计能力、实验效率和对实验内容的系统性掌握。

四、结束语

将Proteus仿真软件引入到高频电路实验教学中，利用软件仿真与实物操作互补验证功能，要求学生实验前利用软件进行电子线路设计、仿真、分析验证，强化先仿真、后操作的教学理念，使学生提前了解实验流程、预期实验成果和现象，既节省了实验时间又能降低实验器材损坏概率，同时，软件环境中可以灵活地设置实验参数、更换实验器件，实现了研究型实验教学，弥补了硬件操作上的不足，给学生更多尝试的可能，既丰富了实验，又利于激发学生创新思维。总之，仿真软件的运用，使实验过程成为主动思考、自主设计、能力提升的过程，更易于培养学生的综合能力和创新精神，在高频电路实验教学中取得了良好的教学效果，受到学生的欢迎。

参考文献：

[1]陈敏，杨永钦，等.通信电子线路课程改革探索与实践[J].高教学刊，2017（14）：74-76.

[2]李杨，孙世钧，等.国外研究型大学创新人才培养模式浅析与借鉴[J].中国教育技术装备，2016（10）：151-152.

[3]冯军，谢嘉奎.电子线路非线性部分（第五版）[M].高等教育出版社，2010.

[4]黄智伟.射频小信号放大器电路设计[M].西安电子科技大学出版社，2008.

[5]朱清慧，张凤蕊，等.Proteus教程（第3部）[M].清华大学出版社，2016.

[6]宋智，薛严冰.基于Muhisim的高频电路实验教学研究[J].实验室科学，2016，19（4）：28-31.