基于Proteus仿真軟件的高頻電路實驗教學研究

楊友福 殷敬偉 周天 李楊

摘? 要：高頻電子線路實驗作為電子通信類專業(yè)學生的一門專業(yè)基礎實驗課程，學生實驗時普遍反映抽象難懂、不易操作、容易出錯，將Proteus軟件引入到課程中，強化“軟硬結合、先仿真后實驗”的教學理念。利用Proteus軟件對高頻實驗課程中的高頻小信號調諧放大電路進行仿真分析，觀察了輸出信號波形、幅頻特性響應、諧振頻率、通頻帶等指標參數，并與實物電路測量的數據進行比較，獲得了一致的結論，將理論上抽象難懂、實驗中調試繁瑣的課程變得生動形象、簡單易作，既提升了學生動手實踐能力和創(chuàng)新能力，又能提高學生掌握現(xiàn)代仿真工具軟件、形成先進設計理念和思維能力，達到了學生能力培養(yǎng)、教學效果提升的目標。

關鍵詞：高頻電路;Proteus仿真軟件;實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

實驗教學既是知識傳授的手段，也是將理論知識升到指導實踐的過程，更是基本工程素質、實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑。高頻電子線路作為通信、電子信息相關專業(yè)核心基礎課程，理論性強、知識點多，對學生實踐能力要求高[1]。高頻電路實驗作為一門與理論課相配套的專業(yè)實踐課程，課程內容安排及課程組織實施靈活性強，課程效果好，則有助于學生夯實理論知識、提高動手實踐能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程設計、畢業(yè)設計乃至就業(yè)深造等打下牢固的實踐基礎。課程效果一般，對學生缺乏吸引力、不能激發(fā)學習興趣、學生個性和創(chuàng)新能力將得不到彰顯，教學目標不能達成。如何提高高頻實驗課程教學質量與效果，如何通過實驗課程促進學生各方面綜合能力提升，是授課教師必須認真思考和研究的課題[2]。

為了提高學生對高頻實驗課程興趣，提升課程吸引力、增強學生實驗主動性，同時能達到提升教學質量效果、培養(yǎng)學生能力的目標，哈工程水聲學院通過本科課程教學改革立項的契機推進高頻實驗課程改革，構建先虛擬后實物、先仿真后實驗的教學模式，將理論上抽象難懂、實驗中調試繁瑣的課程變得生動形象、簡單易操作，從而達到預期目標。本文以高頻小信號放大電路為例，說明了Proteus軟件在實驗教學中的仿真分析和應用。

一、實驗原理

高頻小信號放大器廣泛用作高頻和中頻放大器，特別是用在通信接收端的前端電路，其主要目的就是實現(xiàn)對高頻小信號的放大[3]。放大器的負載是采用具有放大、濾波和選頻作用的LC諧振回路，由于LC諧振回路的阻抗隨著頻率變化而變化，理論上可以分析得出，并聯(lián)諧振在諧振頻率處呈現(xiàn)純阻，并達到最大值，即放大器在回路諧振頻率上將具有最大的電壓增益，若偏離諧振頻率，輸出增益則減小。

衡量高頻小信號放大器的質量指標主要有[4]：

諧振頻率，放大器調諧回路諧振時所對應的頻率稱為放大器的諧振頻率，對于LC組成的并聯(lián)諧振電路，諧振頻率的表達式為：

f=

式中，L為調諧回路電感線圈的電感量;C為調諧回路的總電容。

諧振增益，放大器的諧振電壓增益為放大器處在諧振頻率下時輸出電壓與輸入電壓之比。

Av=201g（Vo/Vi）dB

通頻帶，由于諧振回路的選頻作用，當工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數下降，習慣上稱電壓放大倍數下降到諧振電壓放大倍數的0.707倍時所對應的頻率偏移量為放大器的通頻帶帶寬，通常用BW表示，有時也稱為3dB帶寬，可表示為：

BW=fH-fL=2△f0.7=fo/Q

式中，Q為諧振回路的有載品質因數。

二、Proteus軟件仿真

Proteus軟件由英國Labcenter公司開發(fā)的EDA工具軟件，軟件功能強大，集電路設計、制版及仿真等多中功能于一身，是目前最先進、最完善的可視化設計仿真平臺[5]。Proteus軟件擁有強大的元件庫和豐富實驗的仿真工具，電路仿真功能可以和Multisim媲美[6]，單片機仿真功能則讓后者及其他仿真軟件望塵莫及，經過近20年的發(fā)展和推廣，該軟件越來越受到電子設計者的青睞和廣泛使用。

實驗仿真電路如圖1，電路以高頻晶體管為核心部件，采用正、負5V雙電源供電，集電極采用LC并聯(lián)回路作負載。仿真時，輸入端輸入峰-峰值Vpp=50mV的正弦波信號，信號頻率可通過面板改變設置，通過示波器、交流表等仿真儀器觀察電路輸出波形和指標值。學生可以利用逐點測量法或頻率響應分析工具等方式測量并計算電路諧振頻率、諧振增益、通頻道等指標參數，也可以通過改變元件參數的方式研究電路靜態(tài)工作點和諧振特性變化情況。

仿真輸出信號波形及電路幅頻特性曲線如圖2和圖3所示，可以看出當輸入信號頻率f=650KHz時，輸出端具有最大增益，為12dB，此時電路處于諧振狀態(tài)，在諧振頻率兩邊電路放大增益下降，從中可以讀出電路對信號通頻帶為330KHz。

三、實驗操作

在實驗過程中，學生首先利用課堂所學的理論知識，進行高頻小信號放大電路的設計和計算，此階段有助于學生掌握所學的基礎理論知識;之后利用Proteus軟件進行建模仿真，通過仿真實驗現(xiàn)象分析電路參數，驗證此前理論計算的正確性，此階段有助于學生掌握Protues軟件和深化對實驗原理與方法的理解，做到進入實驗室前的有的放矢;最后學生進入實驗室，自己動手搭建高頻小信號放大電路，并進行電路指標測試和調試，此階段有助于學生理解實物與仿真的區(qū)別和聯(lián)系，提升動手和解決問題能力。

實物電路及測量結果如圖4和圖5所示，電路元件參數和輸入信號同仿真一致，其中利用點頻測量的方式尋找增益最大點和3dB帶寬，可得到增大增益約為10.4dB，帶寬約為320khz，仿真與實驗結果基本一致，通過這種軟硬結合、先虛后實的實驗教學模式，使學生提前了解實驗流程、預期實驗成果和現(xiàn)象，具有便捷、省時、安全等特點，軟件仿真也極大地降低了實物操作過程中的實驗器材、元件損壞等誤操作發(fā)生，同時也提升了學生的實驗設計能力、實驗效率和對實驗內容的系統(tǒng)性掌握。

四、結束語

將Proteus仿真軟件引入到高頻電路實驗教學中，利用軟件仿真與實物操作互補驗證功能，要求學生實驗前利用軟件進行電子線路設計、仿真、分析驗證，強化先仿真、后操作的教學理念，使學生提前了解實驗流程、預期實驗成果和現(xiàn)象，既節(jié)省了實驗時間又能降低實驗器材損壞概率，同時，軟件環(huán)境中可以靈活地設置實驗參數、更換實驗器件，實現(xiàn)了研究型實驗教學，彌補了硬件操作上的不足，給學生更多嘗試的可能，既豐富了實驗，又利于激發(fā)學生創(chuàng)新思維。總之，仿真軟件的運用，使實驗過程成為主動思考、自主設計、能力提升的過程，更易于培養(yǎng)學生的綜合能力和創(chuàng)新精神，在高頻電路實驗教學中取得了良好的教學效果，受到學生的歡迎。

參考文獻：

[1]陳敏，楊永欽，等.通信電子線路課程改革探索與實踐[J].高教學刊，2017（14）：74-76.

[2]李楊，孫世鈞，等.國外研究型大學創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式淺析與借鑒[J].中國教育技術裝備，2016（10）：151-152.

[3]馮軍，謝嘉奎.電子線路非線性部分（第五版）[M].高等教育出版社，2010.

[4]黃智偉.射頻小信號放大器電路設計[M].西安電子科技大學出版社，2008.

[5]朱清慧，張鳳蕊，等.Proteus教程（第3部）[M].清華大學出版社，2016.

[6]宋智，薛嚴冰.基于Muhisim的高頻電路實驗教學研究[J].實驗室科學，2016，19（4）：28-31.