基于MATLAB/GUI的调谐放大器虚拟仿真平台设计

摘要：位于接收机前端的选频放大模块是模拟通信系统中非常重要的一环，但它的分析又较为复杂。为了提高学生学习调谐放大器的效果，基于MATLAB，运用图形可视化工具——图形用户界面（GraphicalUserInterface，GUI）设计了界面简洁、使用方便的调谐放大器仿真平台，使用时只需要输入谐振回路的相关参数，就可以得到单调谐、双调谐以及多级单调谐的通频带以及幅频特性等参数。该平台具有图文清晰，操作简单，参数调节灵活等特点，方便学生更加快速掌握调谐放大器相关知识。

关键词：调谐放大器仿真MATLABGUI

中图分类号：文献标识码：

Design of a Virtual Simulation Platform for Tuned Amplifiers Based on MATLAB/GUI

DOUMingyingHEXiaoqinWANG WeibinYANG Bin

（Xi’anMingde Institute of Technology ，Xi’an， Shaanxi Province ，710124 China）

Abstract： In the analog communication system， the frequency-selective amplification moduleat the frontend of the receiver is a very important part， butits analysis is relatively complex. In order to improve the learning effect of studentson tuned amplifiers， a simulation platformthat has a simple interface and is easy to usefor tuned amplifiersis designed by theGraphical UserInterface（GUI） based on MATLAB，which only needs to input the relevant parameters of the resonance circuittoobtainparameters such as single-tuned， double-tuned and multi-level single-tuned passbands and amplitude-frequency characteristics. This platform has thecharacteristics of cleargraphics and texts， simple operationandflexible parameter adjustment， which is convenient for students to quickly master the relevant knowledge of tuned amplifiers.

Key Words： Tuned amplifier；Simulation；MATLAB；GUI

在无线电技术中，经常会遇到很弱且伴有干扰的接收信号，此时便需要将有用信号放大的同时，把其他无用或干扰信号抑制掉，而高频电子线路的调谐放大器便可完成该需求[1-3]。调谐放大器是一种以谐振回路作为负载的电子放大器，它具有增益高和频率选择性好的特性，因其特殊的幅频特征一般广泛用于各种无线通信系统的接收机中。

调谐放大器作为高频电子线路，甚至通信系统的重要知识点，从以往的教学经验来看，不仅受实验环境、仪器设备、实验电路性能不稳定等多方面的限制，同时调谐放大器又涉及较为复杂的公式推导和非线性分析，单纯理论推导的教学效果往往不佳。为了降低课程学习的难度、提高课堂教学的效率，国内外高校相继应用各种硬件电路仿真软件对高频电子课程中的一些重要内容进行验证和仿真，收到了较好的效果[4-6]。但是，这些仿真方法对于电路参数的显示以及参数变化导致电路性能变化不够直观明了。

基于此，本文在面向对象设计思想的指导下，通过在 MATLAB上对不同类型的调谐放大器进行设计，并对电路性能进行分析及比对。通过MATLAB 图形用户界面（Graphic Userinterface，GUI）设计一款调谐放大器虚拟仿真实验平台，不仅能够实现高频小信号的筛选、放大等基本功能，同时还能实现电路参数的可视化、信号数据可输入/输出、结果图文显示等功能[7]。利用该平台，学生可以自定义相关参数、操作环境和放大器类型，进行数值模拟，并对结果进行分析和对比。该虚拟仿真实验平台不仅能够帮助师生在课堂上能以交互的方式对课程中的复杂分析进行实时仿真，并以图形的方式显示仿真结果，有助于教师对相关概念的讲解和学生学习理解，为调谐放大器甚至高频电子线路这类概念抽象、分析复杂的课程可视化教学提供了有益的尝试，提高课程的教学效果。同时，也能增加学生学习的兴趣，为后续持续深入学习打好前站。

1调谐放大器设计原理

调谐放大器是以LC谐振回路为负载的放大电路，有串并联之分，主要功能就是将天线接收到的高频小信号进行选频、放大，其中，放大功能主要由三极管来完成，而选频部分涉及幅频曲线、通频带、矩形系数等调谐放大器的性能指标则主要由LC谐振回路来完成[1-3]。因此，对调谐放大器的研究主要针对的是LC谐振回路，本文的理论分析以及后续的仿真设计均以并联型LC调谐回路为例做研究。

以一个LC谐振回路作为负载的即为单调谐放大器，它的谐振频率f0仅由谐振回路的电感L和电容量C决定，不受其他因素干扰，其表达式如式（1）所示。此外，一般用品质因数Q来衡量电路特性，空载时为Q0，若在并联谐振回路等效电阻Rp并连一负载电阻Rc时，此时的品质因数即为有载品质因数Qc，其表达式如式（2）所示。对调谐放大器增益分析时，为了简化三极管参数的影响，常用归一化幅度α来研究其幅频特性，由式（3）可知，单调谐放大器的幅频特性受谐振频率和品质因数影响。选频电路另一个重要指标参数是通频带BW，它决定我们的信号是否能完整无缺的进入电路，其大小与品质因数和谐振频率相关，由式（4）可知，该参数同样受谐振频率和品质因数的影响。

f_0=1/（2π√LC）（1）

{（Q_0=Rp/ωL=RpωC=Rp√（C/L）@Q_C=（R_p//R_C）/ωL=（R_p//R_C）ωC=（R_p//R_C）√（C/L））┤（2）

α_单=[1+（2Q Δf/f_0 ）^2 ]^（-1/2）（3）

BW_单=f_0/Q（4）

单调谐放大器是调谐放大器的基础，在此之上，还有更复杂的双调谐回路、多级调谐放大器、调参放大器等。为了简化双调谐放大器的分析，一般默认两个LC回路的参数和结构都是一致的，根据张肃文[3]研究可知，它们的谐振频率和品质因数不变，但幅频特性因为耦合系数η的不同，在强耦合（η>1）、弱耦合（η<1）以及临界耦合（η=1）时的各不相同，因强耦合和弱耦合的通频带研究复杂些，因此通频带一般特指临界耦合时，其表达式见式（5）和式（7）。此外，考虑耦合电路的多样性，在本系统设计中，双调谐放大器仅考虑常用的电容耦合，其他耦合方式不做研究。

α_双={（（1+η^2）/√（（1-ξ^2+η^2 ）^2+4ξ^2 ）（当η<1时）@2/√（4+ξ^4 ）（当η=1时）@2η/√（（1-ξ^2+η^2 ）^2+4ξ^2 ）（当η>1时））┤（5）

其中：η=Q*Cm/C（6）

BW_双=（√2 f_0）/Q（7）

分析多级调谐放大器时，也为了简化分析，一般默认每一级的单调谐放大器均一致，因此当m级相同的单调谐放大器级联时，根据张肃文[3]可知，它的幅频特性曲线和通频带表达式见式（8）、式（9）。

α_多级=[1+（2Q Δf/f_0 ）^2 ]^（-m/2）（8）

BW_多级=√（2^（1/m）-1） f_0/Q（9）

2设计思路与功能介绍

以高频电子线路课程的主要内容——调谐电路为主，利用MATLAB软件进行仿真。同时通过软件自带界面设计模块 GUIDE，即GUI，对调谐放大电路虚拟仿真实验教学平台进行研究与实现。设计一个界面简洁友好、操作方便的图形用户界面，让此次设计的操作界面变得更加简洁高效，更好地实现人机交互。总体设计思路如下。

（1）对高频电子线路课程中调谐放大器的知识点进行梳理和甄选，从中选取适合用于该平台软件的内容，即单调谐放大器、双调谐放大器以及多级调谐放大器。对所选取的内容在表现形式，如教学演示电路、可对参数进行自定义型、具体电路类型等内容对其进行分类。

具体包括：针对单调谐、双调谐以及多级调谐进行仿真设计，通过建立3种放大器的数据模型，得出了LC谐振回路的参数、负载电阻R、耦合电容Cm以及级联级数m和该放大器的谐振频率、带宽、幅频特性的关系。

（2）对每个小模块进行底层编程，再利用MATLAB的GUI 编写每个小模块对应的 Callback函数。

（3）清晰的可视化界面，平台界面除了详细、具体的数据，还有原理图及仿真图（特指电路幅频特性曲线）的展示。

（4）平台各模块及所有数据的清除，方便更改数据。

软件流程如图1所示，仿真平台打开界面和清除数据界面如图2所示。界面中心区域为“功能设置”区域，包含有单调谐、双调谐、多级调谐以及清除数据四个对应不同的电路及运算的选项。初始化后，除了默认值，其他参数均为0，当点击“清除数据”后，所有数据归0。

为了更方便直观的分析电路，在界面左侧的“电路原理图”区域对所选电路的原理图进行展示。在界面下方的“电路参数”区域可根据需要对谐振回路的L、C、负载电阻RC以及耦合电容Cm（仅针对双调谐放大器）等参数自行输入，谐振回路级联数m默认值为1，回路的等效电阻Rp默认值为50Ω。同时，在该区域也包含经计算后的谐振频率f0、品质因数Q以及通频带BW等参数并输出、显示。在界面右侧根据式（3）、式（5）、式（7）绘制了相应电路的幅频特性曲线。

3仿真平台运行结果与分析

3.1 单调谐放大器的虚拟仿真

参数设置为：L=2μH，C=15pF，RC=1 kΩ，级数为默认初始值1，然后在功能设置区域点击“单调谐”。此时界面左侧显示单调谐放大器原理图，根据前面公式（1）-（4）计算得知f0约为0.919MHz、Q约为4.124以及BW约为0.223MHz，同时该电路的归一化幅频曲线如图3（a）右上角所示。

当谐振回路的L和RC不变，增加C值时（C=47pF），如图3（b）所示，对比图3（a）可知随着C值增大，f0减小，而Q增加，BW减少，幅频特性曲线变陡峭，选择性更好，当谐振回路的L和C不变，增加RC值时（RC=10 kΩ），如图3（c）所示，对比图3（b）可知随着RC增加， f0不变，但同样使Q增大，BW减少，幅频特性曲线更加陡峭，选择性也更加好。

3.2双调谐放大器的虚拟仿真

参数设置为：L=2μH，C=15pF，RC=1 kΩ，Cm=2 pF，级数为默认初始值1，在功能设置区域点击“双调谐”，此时界面左侧显示双调谐放大器原理图。根据前面公式（5），Cm通过影响η而改变双调谐放大器的幅频特性曲线。结合公式（6）及所选参数，可知当Cm=3.637 3时，η=1。当Cm小于此值时，η<1，双调谐放大器为弱耦合，幅频曲线呈单峰，如图4（a）所示。随着Cm增大（Cm=3.637 3 pF，Cm=7 pF），η逐渐增大（η=1，η>1），双调谐放大器变为临界耦合和强耦合，出现如图4（b）的临界耦合和图4（c）为强耦合，临界耦合时，在谐振点处电路增益最大，在谐振点处的归一化幅值为1。强耦合时，此时幅频特性曲线呈驼峰状，电路增益最大在与谐振点呈对称的两处，且Cm越大，在谐振点处下凹越大。

3.3 多级单调谐放大器的虚拟仿真

参数设置为：L=2μH，C=15pF，RC=1kΩ，级数m=3，功能设置区域选择“多级调谐”，在界面左侧显示以2级为例的多级单调谐放大器原理图。参数根据前面公式（8）和（9）可知，级数直接影响调谐放大器的幅频特性及通频带，结果如图5（a）所示，增加级数m为5时，结果如图5（b）所示。将图3（a）与图5进行对比，可以清晰的看到幅频曲线随着m增加而变得陡峭，选择性也得到改善，但BW锐减。

4结语

本文完成了基于MATLAB/GUI的调谐放大器虚拟仿真实验平台设计，实现了单调谐、双调谐以及多级单调谐放大器的数值模拟和结果可视化。该虚拟仿真实验平台具有易实现、参数设置简单、运算快捷准确、可视化效果良好等优点。将其用于高频电子线路等课程中，有助于学生对调谐放大器的理解；同时学生可以自行修改相关参数，对计算的结果进行分析和对比，提高学习兴趣；最后，学生也能够学习到 MATLAB 在数值求解中的应用和GUI的编程设计，具有很高的教学实用价值。

参考文献

[1] 曾兴雯，刘乃安，陈健，等.高频电子线路[M].3版.北京：高等教育出版社，2022.

[2] 高如云，陆曼如.张企民，等.通信电子线路[M].4版.西安： 西安电子科技大学出版社，2022.

[3] 张肃文.高频电子线路[M]. 5版.北京：高等教育出版社，2011.

[4] 孙慧霞，周上楠，周玲，等.基于MATLAB GUI的数字信号处理仿真平台开发[J].电子科技，2021，34（2）：74-78

[5] 赵志欣，温俊，刘俊杰.基于MATLAB GUI的信息论与编码教学演示平台设计及实现[J].实验技术与管理，2021，38（7）： 181-185

[6] 蔡嘉丽，虞湘宾.基于MATLAB GUI的调频扩频通信系统实验教学平台设计[J].中国教育技术装备，2021.14：28-34.

[7]陈晓娟.电路分析仿真平台的GUI设计[J].设备管理与维修，2021（9）： 135-137