Multisim在模電和數電混合實驗案例中的應用

張承暢, 龔昱文, 余 灑, 羅 元

(重慶郵電大學 重慶市電工電子實驗教學示范中心, 重慶 400065)

“電子技術基礎”是高等學校電子信息類專業的基礎核心課程,具有較強的實踐性和工程性,對培養學生實踐和創新能力有著十分重要的作用[1-2]。高校“電子技術基礎”課程分為“模擬電子技術基礎”(簡稱“模電”)和“數字電子技術基礎”(簡稱“數電”)兩門課程,課程配套的實驗項目也按模電和數電分別開設[3-6],配合理論教學，并以驗證和設計性實驗為主,缺少模電和數電一體的系統性、綜合性實驗，直接影響后期教學環節,如課程設計、大學生科研訓練計劃、畢業設計等的開展,制約學生工程能力達成和創新能力培養。

為此,以學校工程教育專業認證和新工科建設為契機[7-8],圍繞電子信息技術專業人才的培養,在專業建設、課程設置等方面持續、深入地進行改革與創新。以學校自動化專業在電子技術課程的改革為例,將原來的數字電路和模擬電路兩門課程調整為“模電數電”一門課程,整合模擬電路和數字電路課程內容,加強各部分內容銜接,減少冗余、重復內容,強調系統觀念和工程背景。

本文以對電子元器件的認識、單元電路功能與仿真，以及實現模電數電混合電子系統設計為任務,突出實踐創新教學,以激發學生學習興趣、培養學生實驗探究能力、提升課程建設和人才培養質量為目標。

1 系統結構

本實驗用模塊電路和分立元器件設計電子通信領域常用的脈沖調制器,要求學生掌握模電和數電課程的基礎知識,借助Multisim仿真軟件[9-10]進行電子系統的仿真設計及系統調試,為硬件電路的器件選型、單元電路設計、系統優化實現提供分析和設計參考,實現從單一知識點到系統設計的突破。綜合運用到RC正弦波振蕩器、555電路、開關三極管等課程知識[11-13],以及電子器件的選型、Multisim模數混合電路仿真、電路的測試等相關知識和方法,強調平時學習與工程實際相結合。

用555定時器、RC正弦波振蕩器、開關三極管乘法器設計脈沖調制器電路,產生脈沖調幅信號,使用Multisim軟件仿真系統功能。

系統結構如圖1所示。

555定時器構成的多諧振蕩器(占空比可調)和反相器生成兩路相位相反的脈沖信號,RC正弦波振蕩器產生中頻載波,開關三極管構成的乘法器完成調制功能。

2 各模塊電路原理

2.1 載波產生電路

載波產生電路即正弦波電路如圖2所示。RC串并聯構成選頻網絡,R1和Rf構成反饋網絡,調節Rw可改變反饋系數,從而改變放大電路的電壓增益、滿足振蕩的幅度條件。利用二極管D3和D4的非線性起到穩幅作用,改善輸出波形,避免失真。

輸出載波的頻率為

(1)

圖2 RC正弦波電路

2.2 脈沖產生電路

采用555定時器構成的脈沖產生電路見圖3。

圖3 脈沖產生電路

圖3中R1、R2、C1為定時元件,通過C1的充放電使電路產生振蕩,輸出矩形脈沖,脈沖波形見圖4。

圖4 脈沖波形

tw1和tw2對應電容C1的充、放電時間,有：

tw1≈0.7R1C1

(2)

tw2≈0.7R2C1

(3)

脈沖周期T和占空比Q分別為：

T=tw1+tw2

(4)

(5)

電阻R1和R2采用可調電阻,通過調節R1和R2的值改變脈沖周期和占空比。

2.3 調制電路

調制電路如圖5所示,采用文獻[14]提出的YMD乘法器電路,該電路由4個NPN管(Q1、Q2、Q3、Q4)和2個PNP管(Q5、Q6)組成3對射極跟隨器。載波加到Q1的基極,脈沖(P+)及其反相信號(P-)分別加到Q4和Q2的基極。

圖5 調制電路

調制電路工作原理：當Q2的基極(P-)為高電平時,Q2導通，使A點電位為高電平,屏蔽了Q1基極輸入對A點電位的影響;當Q2的基極(P-)為低電平時,Q2截止,A點的電位跟隨Q1基極的輸入載波變化。由此可得,A點的電位在Q2的基極為高電平時為高電平,在其為低電平時輸出載波。同理可得B點的電位在Q4的基極輸入(P+)為高電平時為高電平,在其為低電平時為Q3的基極電位即中點電平2.5 V。

當Q6的基極為高電平時,Q6截止,C點電位跟隨A點變化;當其為中點電平2.5 V時,Q6導通，使C點的電位穩定在2.5 V。這樣就可從C點得到直流電平為2.5 V、峰峰值為5 V的調制信號。再通過一隔直電容C2濾除直流分量后即可得到系統所需的矩形脈沖調幅信號。

各點的工作波形如圖6所示。

圖6 各點工作波形

3 脈沖調制器仿真

由載波產生電路、脈沖生成電路和調制電路構成脈沖調制器,在Multisim 14中完成波形文件的繪制。給定脈沖頻率為260 Hz、占空比為10%,載波的頻率為30 kHz,計算各電阻、電容值,完善電路圖,如圖7所示。

圖7 脈沖調制器仿真

采用4通道示波器測試載波、正負脈沖和調制信號,測試波形如圖8所示。

4 結語

利用Multisim軟件開展實驗仿真,軟件自帶的豐富的元器件、測試儀表,僅需要一臺計算機就可完成設計仿真過程,可使學生充分利用非課堂時間完成實驗的器件選型、參數設置、功能仿真,為實驗課程的實物實驗做好準備,為學生的自主學習提供了便利。同時,軟件友好的人機界面方便學生根據實驗現象隨時調整元件參數,對提高學習效率,加深對知識的理解;對教師采用先進的教學手段,如翻轉課堂提供了幫助。

圖8 測試波形

模電和數電混合實驗案例的設置,課程實驗與工程實際方案結合,不僅使學生通過對單元知識的學習到系統綜合的過程,形成對工程實際的認識,激發了學生的學習積極性和主動性,為今后面對復雜工程問題能力的培養打下基礎。