基于Multisim仿真的通信电路调试课堂教学的改革

梁芳芳

广东工程职业技术学院，广东 广州 510520

通信电路调试是电子专业与通信技术专业中一门很重要的专业核心课程，涉及各方面的内容，电子线路多样，数学公式多。传统的教学是先对理论知识进行介绍，然后到实验室进行有关的各个知识点验证，再进行整体的电路系统项目的设计。在理论讲授过程中，需要用到高等数学、电路分析基础、模拟电子线路等前导课程的内容，所涉及的概念抽象，进行电路分析的过程中公式推导复杂烦琐，使得整个课堂教学显得单调枯燥，学生普遍有畏难情绪，形成了学生难学、厌学，教师难教、不愿意教的“两难”局面，教学效果不如人意，因而课堂的教学改革已经势在必行。在课堂教学过程中引进Multisim仿真技术，则很好地解决了这个问题。

1 Multisim仿真软件概述

NI Multisim仿真软件是由EWB（Electronics Workbench）仿真软件演化而来，是美国国家仪器有限公司研发的电路模拟仿真软件。其具备数量众多的元器件数据库，主要有各种型号的电阻、电容、电感等最基础的元件，有与或非门等数字电路的各种TTI和CMOS门电路，还有数模转换等其他小芯片I和CMOS数字IC、DAC、MCU及其他各种部件，还允许用户通过软件自带的编辑器自行创建和修改所需各种元件模型。标准化的虚拟仪器仪表种类齐全，有常规用的测量电压电流电阻的万用表、观察输入输出波形的双踪示波器及四通道示波器、提供各种信号波形的函数信号发生器、测量谐振回路曲线的扫频仪、研究电信号频谱结构的频谱分析仪、分析数字系统逻辑关系的逻辑分析仪等，还有Aglient（安捷）示波器，Tektronix（美国泰克）示波器的专业测试仪器等。这些虚拟的仪器仪表的使用方法和现实工作中使用的仪器仪表相似，测量的相关数据也和真实仪器上看到的一样，精确可靠。同时，其具有完备的分析手段，可以完成直流工作点分析、交流信号的工作分析、瞬时状态的分析、信号失真分析、信号灵敏度分析等，能基本满足各种电路分析的要求。NI Multisim将电路原理图、功能测试仿真仪器和仿真结果汇聚到一个工作界面，结合直观的捕获和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地展示不同参数的结果。另外，其与NI LabVIEW和Singnal Express软件的完美兼容，完善了现有的强大技术的设计流程，从而能够在比较仿真数据和模拟数据时实现建模测量，具有图形界面直观、元器件库丰富、仪器仪表齐全、修改参数方便、分析方法多等优点。

2 Multisim仿真技术在课堂教学改革中的实现

通信电路调试课程的内容包含了小信号调谐放大电路、高频丙类功率放大电路、正弦波振荡电路、线性的振幅调制与解调电路、非线性的角度调制与解调电路等。文章以小信号调谐放大电路的性能指标分析为例，演绎Multisim在通信电路调试课程课堂教学改革中的应用，主要方法是在课堂教学过程中穿插使用Multisim软件，通过软件中的各种元器件设计相关的电路，再使用软件中所提供的各种虚拟仪器仪表对设计的电路进行参数测试，并输出相应结果。通过这种直观的仿真电路模型及虚拟仪器仪表所展现的数据图像能帮助学生理解抽象的理论知识，从而获得良好的课堂教学效果。

3 Multisim仿真技术在小信号调谐放大电路中的应用实例

小信号调谐放大电路居于模拟通信系统的前端，所有的无线信号通过天线进入电路系统时，首先要经过选频网络进行筛选，滤除无用的信号及噪声，选取有用的信号并放大，再作进一步的传输。在学生学习该知识点的过程中，学生需要了解该电路的电路结构，分析该电路的工作原理，掌握该电路的性能指标。传统的教学方法主要是利用大量的数学公式进行介绍分析，对于高职学生来说，这样的教学过程枯燥烦琐，令人昏昏欲睡，事倍功半。但是在课上引入图文并茂的Multisim仿真技术，把理论知识融入仿真实验，极大程度上引起了学生的学习兴趣，强化了学习的效果。

分析小信号单调谐放大电路主要从选频、电压增益、通频带、矩形系数等方面进行。为了更好地帮助学生理解相关的内容，笔者利用Multisim 13软件设计了小信号调谐放大电路，如图1所示。选取输入信号的频率fi为1MHz，输入信号的幅度Ui为1mV的有用信号V2为输入的小信号，然后通过Multisim 13软件所提供的虚拟仪器仪表分析电路的工作过程及其相关性能。

图1 小信号调谐放大电路

（1）谐振频率f0的测试分析。谐振是无线电路中的关键技术，当无线电接收机中调谐回路本身固有的振荡频率与无线电发射台发射的振荡频率相同时，接收机就可以收到这个发射台的无线电波频率，这个过程也叫选频。选频是从所有的输入信号中选取有用的频率分量而抑制掉无用的频率分量或噪声，实现这一功能主要是靠电路中的LC谐振回路部分。在实际的电路中，谐振是指在由电阻R、电感L和电容C元件构成的交流电路中，调节电路元件（L或C）的参数或输入信号的频率ƒi，使输入信号的频率ƒi与LC谐振回路的固有频率ƒ0相等，电抗值X为零,阻抗值Z等于电阻值R，使LC谐振回路呈现纯电阻性，即Z=R。则对于并联谐振电路，谐振电路的表现是电路两端的输出电压达到最大；而对于串联谐振电路，谐振的表现是电路输出的电流达到最大。LC谐振回路的谐振频率ƒ0计算公式如下：

实际的电路工程中小信号调谐放大电路的谐振回路采用的是LC并联谐振，为了很好地演绎这一原理，在仿真电路中采用了可变电容C4和电感T1，并在输出端连接了一个虚拟的频率计数器观察输出的频率（即并联谐振电路的输出频率），同时连接虚拟的双踪示波器观察输入信号（V2）和输出信号波形（即LC并联谐振电路两端的电压波形）。根据谐振原理，并联谐振电路发生谐振时，即频率计显示的频率和输入信号V2的频率ƒi一致时，输出电压应达到最大，即示波器显示输出波形幅度最大。由于ƒ0的值[见公式（1）]是由电容C4和电感T1决定的，调节电容C4可以改变ƒ0的值。

经过仿真测试，当电容C4调节到占电容值9%时，频率计显示的频率为999.561kHz，与输入信号V2的频率ƒi不一致，示波器显示的输出波形幅度为26.85Mv，如图2（a）所示。当电容C4调节到占电容值10%时，频率计显示的频率为1MHz，与输入信号V2的频率ƒi相一致，而示波器显示的输出波形幅度为32.14mV，相比图2（a）所示的示波器的输出波形幅度，显示的幅度升高了，如图2（b）所示。当电容C4调节到占电容值11%时，频率计显示的频率为999.561kHz，与输入信号V2的频率ƒi（1M）不一致，但是和图2（a）频率计显示的频率是一致的，而示波器显示的输出波形幅度为28.39mV，又比如图2（c）所示示波器的幅度降低了。通过3组直观图形及数值的对比分析，可见当电容C4占10%时，电路的频率与输入信号V2的频率ƒi一致，且输出的波形幅度达到最大，则此时的电路发生了谐振。

图2 示波器显示的输出波形幅度

（2）谐振电压放大倍数AUO的测试分析。电压放大倍数AU是衡量放大电路对输入信号的放大能力的指标，而谐振电压放大倍数AUO是指电路发生谐振时所对应的放大倍数。由于小信号调谐放大电路采用的是LC并联回路，当电路发生谐振时，输出电压达到最大。通过改变仿真电路中电容C4的占比，可以观察到仿真电路示波器输出波形的幅度变化，当示波器输出波形的幅度达到最大时，电路达到谐振，记录相关的数据u0和ui，然后通过公式（2）计算得到AUO。比较示波器所示波形幅度，当电容C4占10%时，电路发生谐振，频率为1MHz，波形幅度达到最大值，UO图2（b）=32.14mV，则其电压放大倍数AU图2（b）=32.14。当电容C4分别占9%和11%时，频率计显示的频率同为999.561kHz，示波器所显示的波形幅度也相近，相对应的电压放大倍数分别为AU图2（a）=26.85，AU图2（c）=28.39。可见，当电容C4占10%时，波形幅度达到最大，电路谐振，其电压放大倍数AU图2（b）=32.14 为谐振电压的放大倍数AUO。

（3）通频带BW的测试分析。通频带用于衡量某一放大电路在不同工作频率信号条件时的放大能力。放大电路中的核心器的三极管有自己特定的工作频率范围，而且由于电路中其他电容、电感等电抗元件的存在，当输入信号频率不在这个工作频率范围时，过高或者过低都会引起放大倍数的幅度值下降，并产生相移。电路中的通频带BW越宽，表明该放大电路对不同频率信号的适应能力越强；通频带BW越窄，则表明电路对如图3所示谐振曲线工作的中心频率选择能力越强。当谐振曲线幅值下降到最大值的0.707倍位置时，或者最大值降低3dB时，会有两个对应的频率值，分别是ω2（上限频率ƒH）和ω1（下限频率ƒL），则由公式（3）可以计算出通频带BW值。

图3 谐振曲线

为了更好地理解这一知识点，在仿真电路中连接了用于测量幅度频率特性的虚拟仪器波特图测试仪(XBP1)来帮助分析。当幅度值为最大值30.156dB，显示频率为1.003MHz，与输入信号的频率ƒi一致时，说明电路发生了谐振，如图4所示；当频率逐渐减少到936.722kHz，幅度值为27.108dB，相当于最大值下降了约3dB时，由定义可知此为通频带的下限频率fL，如图5所示；当频率逐渐上升，经过了谐振点，幅度达最大值，频率继续上升，幅度值又开始下降，在达到27.108dB，即最大幅度值下降了约3dB，频率为1.083MHz时，这个频率点由定义可知为通频带的上限频率fH，如图6所示。根据公式（3），可以计算出此电路的通频带值BW=1083-936=147kHz。

图4 峰值图

图5 下限频率fL

图6 上限频率fH

4 结束语

综上所述，在课堂上利用Multisim仿真技术，使得对小信号调谐放大电路知识点的介绍更形象生动了，而且课堂上还可以让学生即时自行操作使用软件进行验证，使理论与实践深度融合，提高了学生的学习兴趣。可见，在通信电路调试课程的课堂教学过程中使用Multisim仿真软件，一方面，在课堂上进行仿真实验演示电路的工作过程直观明了，使课堂不再单调沉闷，使学生对通信电路的信号、工作过程及功能的实现有直观的感性认识，提高了学生的学习兴趣和学习效率；另一方面，学生利用仿真软件进行电路的建模、仿真、调试，加深了对知识的理解，为下一步实际电路的实训做好了准备。可以预见，传统教学与仿真教学的结合将会被越来越多的教师使用，被越来越多的学生接受。