Multisim在“通信電子線路”實驗教學中的應用

唐 路，苗 澎，田 玲

(東南大學信息科學與工程學院，江蘇南京 210096)

“通信電子線路”課程是通信專業本科生必修的一門基礎課程。該課程的主要任務是讓學生了解和熟悉通信系統的組成電路，初步掌握通信電路的設計方法［1］。

然而，由于該課程的實驗教學和理論課教學存在著脫節滯后的狀況，目前國內各院校使用的電工電子實踐系列教材中少有專門針對“通信電子線路”的EDA虛擬仿真實驗，這與目前國外高水平大學通信電子線路EDA虛擬仿真實驗較高的發展水平相比存在很大的差距。因此，我們認為應在實踐環節通過安排EDA虛擬仿真實驗，來幫助學生鞏固所學的理論知識。

我校自2009年起，開始為信息工程專業三年級本科生開設了“電子電路與綜合實驗”課程，作為“通信電子線路”的配套實驗課程。作為該實驗課程的教學內容，我們設計了基于NI Multisim軟件平臺的通信電子線路EDA虛擬仿真實驗。

1 Multisim軟件平臺

采用Multisim軟件平臺進行電路仿真的基本步驟為:①根據電路的性能指標，設計仿真電路原理圖;②根據實驗需要對仿真選項進行設置;③對電路進行仿真，并借助使用Multisim提供的虛擬仿真儀器，觀察仿真結果［2］。

下面以我們針對本課程教學所設計的幾個EDA虛擬仿真實驗為例，介紹Multisim軟件平臺在“通信電子線路”實驗教學中的應用。

2 無源混頻器實驗

在發射系統中，混頻器(上變頻)把已調制的信號頻譜搬移到射頻頻段用于發射;在接收系統中采用作下變頻，把接收的射頻信號搬移到中頻后進行解調［3］。

理想混頻器是把兩輸入信號在時域中相乘:Acosα*Bcosβ =AB［cos(α + β)+cos(α-β)］。然后根據不同的需要，用濾波器濾除不需要的頻率分量后提供給下一級電路。現以下變頻為例，令兩個端口的輸入信號分別為射頻與本振信號;第三端口的輸出信號為中頻信號。

混頻器的輸出電流值為

其中RD為混頻器的內阻，RL為所接負載的阻抗，ωL為本振信號的角頻率，ωR為射頻信號的角速度，URm為射頻信號的幅值。

混頻器可以分為無源混頻器與有源混頻器兩大類。無源混頻器通常由非線性器件或開關元件構成，電路簡單。但變頻增益小于1。圖1為一個二極管環形無源混頻器電路原理圖。

圖1 二極管環形混頻器電路原理圖

根據該電路原理圖，在Multisim軟件平臺上選取相應的器件，構成如圖2所示的實驗電路。在變壓器T1處加入射頻信號V1，在變壓器T2處加入本振信號V2。其中的V2輸入信號的Voltage(RMS)值設為10V，Frequency設為1kHz;而將V1輸入信號的Voltage(RMS)值設為0.5V，Frequency 設為100Hz。

圖2 二極管環形混頻器實驗電路

實驗電路構造完成后，點擊Multisim主菜單下Simulate→Analysis→Fourier Analysis選項，便可彈出Fourier Analysis對話框，進入傅里葉分析狀態。

Fourier Analysis對話框有 Analysis Parameters、Output、Analysis Options和Summary共四個選項卡。在Frequency Parameters選項卡中我們將采樣頻率frequency resolution設置為100Hz(這時通過點擊“Estimate”，由程序自動設置)，采樣包絡數Number of Harmonics設置為40，取樣停止時間一欄點擊“Estimate”，由程序自動設置。在Output選項卡中，將圖2中電阻R1的電壓(對應于圖2中節點7)設為所需分析的變量。全部設置完畢后，先點擊“OK”，再點擊“Simulate”，開始對電路進行傅里葉分析。

圖3給出了電路的仿真結果。由圖3(a)可見，輸出信號中900Hz頻率分量的幅值為0.44989V，1100Hz頻率分量的幅值為0.449832V;由圖3(b)可見，2900Hz頻率分量的幅值為 0.149197V，3100Hz頻率分量的幅值為0.149138V。其中900Hz頻率分量與1100Hz頻率分量幅值基本相同;2900Hz頻率分量與3100Hz頻率分量幅值基本相同;900Hz頻率分量與2900Hz頻率分量幅值之比為0.44989/0.149197=3.016。上述結果符合式(1)中的各個頻率分量之間的關系。

圖3 混頻器仿真結果

3 A類射頻功率放大器實驗

射頻功率放大器的工作特點是低電壓、大電流。其基本組成單元包括晶體管、偏置電路、扼流圈、阻抗匹配網絡與負載。射頻功率放大器的主要參數除了常規的工作頻率、小信號增益等指標外，還要特別考慮輸出功率和效率等參數。射頻功率放大器按照電路中晶體管輸出電流與輸入電壓或電流的關系可分為線性功率放大器與開關功率放大器。

A類射頻功放輸出信號為輸入信號的線性函數，又稱為線性功率放大器。若輸入信號為正弦信號，可得到如下參數。

交流輸出功率為

電源總功率為

輸出效率為

式中，VCC為電源電壓，ω為輸出交流信號的角頻率，RL為功率管負載阻抗，Icm為集電極信號電源幅度，ICQ為靜態工作點電流。根據電路原理圖，我們在Multisim中選取相應的器件，構成如圖4所示的A類射頻功放實驗電路。

圖4 A類射頻功實驗電路

此時，雙擊函數發生器，將輸入信號設置為1MHz，幅值為40mV的正弦波信號。

函數發生器設置完成后，調整可變電阻的百分比(推薦調整到70%)，以保證整個電路的直流工作點滿足A類射頻功放的要求。隨后，按下Simulation Switch工具欄中最左側的“Run”按鈕。運行一段時間后，按下該工具欄最右側的“Stop Simulation”按鈕，并觀察示波器中雙蹤顯示的輸入輸出信號的波形，以及毫安表和功率表中的相應的讀數。圖5為示波器的輸出結果。由圖5可知，電路的輸出端可得到一個與輸入信號方向相反的信號，電壓放大倍數約為5000/20=250。

圖5 示波器的輸出波形

由圖6可知，毫安表的讀數為3.227mA，功率表相應讀數為12.407mW。

圖6 毫安表與功率表的度數

根據上述觀察結果，當VCC=12V時，可計算出此A類射頻功放的輸出效率為

4 結語

將NI Multisim軟件引入“通信電子線路”實驗教學，體現了理論與實踐相結合的教學方法。通過實驗的開展，引導學生通過實驗預習、動手與反復思考和總結，掌握通信電子線路的特點，學會觀察與分析通信電路的基本設計方法，起到了良好的教學效果。

［1］ 顧寶良.談談開設通信電子線路課程的必要性［J］.南京:電氣電子教學學報，2000，22(3):20-22

［2］ 李桂安主編.電工電子實踐初步［M］.第2版.南京:東南大學版社，2010

［3］ 顧寶良，苗澎，朱萍編著.通信電子線路［M］.第2版.北京:電子工業版社，2007