虛擬仿真平臺在高頻電子線路實驗中的應用研究

譚景輝

（1.河南理工大學鶴壁工程技術學院，河南鶴壁，458030；2.鶴壁職業(yè)技術學院，河南鶴壁， 458030）

1 關于高校高頻電子線路課程的簡要介紹

高頻電子線路課程是高校電子通信專業(yè)以及相關專業(yè)中的必修課程，目前高校的高頻電子線路課程主要包括三大組成部分，分別是理論課堂教學、實驗教學以及課程設計。

首先，理論教學。

理論教學，顧名思義，即學習基礎理論知識。高頻電子線路課程的理論教學通常以電路工作原理、參數(shù)設置和電路設計等作為核心內容，一般教師會從理論層面對這些內容進行解釋，但基于這些內容自身的抽象性和復雜性，學生學習這些理論知識時就顯得有些力不從心，困難重重，對其中的一些內容很難快速理解和轉化。

其次，實驗教學。

實驗教學是高頻電子線路課程教學的核心組成部分，實驗教學是對理論教學的補充和輔助，通過實驗教學，便于學生更好地記憶和理解理論知識。多數(shù)情況下，實驗教學會搭配理論知識教學進度來進行，會同步對學生學習到的理論知識進行驗證。學生的實驗操作主要集中在電路板上面，會根據(jù)學習到的理論知識來調整各項參數(shù)，然后對其輸出信號的變化進行觀察。

2 高頻電子線路課程為何要引入和應用虛擬仿真平臺

高校的高頻電子線路課程的教學內容相對于其他課程略顯枯燥乏味，過強的專業(yè)性會在極大程度上影響到課堂教學氛圍和學生學習興趣，而且與電路相關的設計都需要利用公式進行推導和計算，但最終推導計算出來的結果是不是正確的，或者其設計是不是能夠真正實現(xiàn)電路功能并不能得到明確的驗證。在之前的高頻電子線路實驗教學當中，教師和學生雖然也可以借助一些實驗設備來對其設計結果進行驗證，但鑒于諸多客觀因素的影響，諸如實驗設備操作不便、配套設施基礎不完善等等，都會在很大程度上影響到驗證的結果，甚至一些設計結果根本就沒有辦法進行驗證。基于此情況，高校引入和應用虛擬仿真平臺便具有非常強的實用性，在高頻電子線路當中應用虛擬仿真平臺可有效解決相關問題。

3 高頻電子線路實驗教學中常用的虛擬仿真平臺介紹——以Multisim14.0為例

3.1 關于 Multisim14.0的介紹

Multisim14.0作為專門進行電路仿真和設計的軟件，在當前高校高頻電子線路教學中應用非常廣泛。Multisim14.0是當前最受歡迎的EDA軟件之一，是NI下屬公司設計并推出的仿真工具。Multisim14.0建立在PC平臺基礎之上，利用圖形操作界面仿真還原了一個非常正視的電子電路實驗工作臺，就目前電子電路實驗水平而言，在Multisim14.0上面就會可以完成全部實驗室開展的電子電路實驗。

在Multisim14.0頁面中，其主要包括如下欄目板塊：

圖1 Multisim14.0頁面工具欄

3.2 Multisim14.0的特性

關于Multisim14.0的特性：其一，Multisim14.0采用的是全新主動分析模式，使用者可以在更短時間內獲得仿真結果。其二，使用的是Multisim探索原始VHDL格式邏輯數(shù)字原理圖，為其在多種FPGA數(shù)字教學平臺上運行提供便利。其三，基于Multisim和MPLAB的微控制器教學，實現(xiàn)了微控制器和外設仿真。其四，通過全新的電壓、電路、功率和數(shù)字探針可視化交互仿真結果。其五，通過全新的電壓、電路、功率和數(shù)字探針可視化交互仿真結果。

3.3 Multisim14.0在高頻電子線路實驗中的實用

Multisim14.0軟件在高頻電子線路實驗課程中開展仿真分析的步驟一般設定為：依據(jù)原理，設計創(chuàng)建電路原理圖——設置電路圖選項——確定仿真分析方法——打開仿真開關——運行電路——利用仿真儀器得到所需結果。在實驗教學中利用Multisim14.0來開展實驗，其既可以更加直觀形象地呈現(xiàn)仿真電路和測試結果，又有助于進一步加深學生對相關理論知識的理解程度，提高學生的參與興致和學習興趣。

3.4 應用Multisim14.0進行基本電路仿真的操作方法

應用Multisim14.0進行基本電路仿真的操作方法，其具體步驟如下所示：第一步，開啟Multisim14.0軟件，防止電容、電阻等元器件，如圖2所示。

圖2

第二步，選中之后會跳出如圖3所示窗口，自主選擇需要的器件類型的具體型號。

圖3

第三步，如圖所示位置放置一個電阻元件，并選擇需要的電表，如圖4所示。

圖4

第四步，放置電源，選擇下圖箭頭所示選項，具體如圖5所示。

圖5

第五步，電源放置好后基本電路回路完成，如圖6所示。

圖6

第六步，點擊下圖中箭頭所指的運行選項，電路圖就此完成。

圖7

4 虛擬仿真平臺在高頻電子線路實驗教學中的實踐應用與具體案例

當前高校對實驗教學的定位是兼具綜合性、設計性以及研究探索性的實驗，之前傳統(tǒng)的實驗操作模式并不能滿足這一點。因此，引入和應用虛擬仿真平臺是實驗教學之必須，是對新型實驗定位的有效補充。在實驗教學過程當中，教師可以結合內容在虛擬仿真平臺當中設計出更為合適的實驗，可以給出具體的載波和調制信號參數(shù)，學生們便可以根據(jù)調幅波調制基本原理去自行設計“對稱斬波調幅”仿真實現(xiàn)，學生的自行發(fā)揮空間越廣泛，學生參與實驗的積極性就會越高。

4.1 電路仿真實驗

目前，應用比較廣泛的一個電路輔助設計軟件是Protel，這款電路輔助設計軟件自身的優(yōu)勢和特色主要集中體現(xiàn)在它擁有著非常強大的電路原理圖設計功能和印制板設計功能。但該軟件在實踐應用過程中也逐漸暴露出的一些問題：其一，Protel軟件對PC機分辨率要求要更高一些，如果直接使用該軟件系統(tǒng)默認字體，其在對話框中便會經常出現(xiàn)文字不完整的問題，雖然可通過修改默認字體的方式來解決，但依然還會產生一些干擾和影響。其二，Protel軟件雖然安裝了漢化裝置，但隨時也產生了一系列問題，丟失了部分功能，影響到軟件運行的順暢性。其三，Protel系統(tǒng)環(huán)境設之不當，導致在實際操作中粘貼一些流程框圖或者電路圖時很小，而且還會帶有圖框和標題欄。

4.2 模擬通信系統(tǒng)的仿真實驗

在高校高頻電子線路實驗教學當中，用于開展模擬通信系統(tǒng)的仿真實驗主要應用到的是一種帶有可視化功能的工具，即Simulink，這一工具具有非常強的直觀性，而且靈活性也很高，其可以將數(shù)字模型非常簡單靈活地轉化成為軟件模型，進而方便開展動態(tài)仿真實驗。在實際操作過程當中，學生們可以通過此工具的應用來更清楚地了解和認知系統(tǒng)結構、數(shù)字模型以及仿真模型之間的關系，而且在顯示界面還可以非常清楚地了解具體的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。但Simulink工具有著一個非常大的局限性，其也算是它的不足之處。Simulink的的驅動是靠信號流，相當于只是進行功能的仿真，而現(xiàn)實中，尤其是電路，都是靠時鐘來驅動，因此，simulink會更適合理論上的研究，在實踐方面的應用并不多。

4.3 采用Multisim14.0建模丙類功率放大器的仿真實驗

4.3.1 實驗原理及電路

丙類功率放大器的原理是利用輸入到基極的信號，對集電極的直流電源所供給的直流功率進行控制，轉變成為交流信號功率輸出。

采用Multisim14.0建模丙類功率放大器，如圖8所示。

圖8

VBB由信號電流流經Rb（100Ω）上產生自給負偏壓，它與Us的幅值共同決定晶體管的導通角，使它工作在丙類，數(shù)值可用直流電壓表在C口測量。輸出電壓波形由A端口測得，而晶體管集電極電流波形由1Ω取樣電阻獲得，B端口可讀得取樣波形。而負載LC諧振回路應諧振在載波頻率上，具體取值還與回路需要的有載Q值有關。Q值越大，選頻性能越好，但功率損耗加大。

4.3.2 輸出電壓的分析

使并聯(lián)諧振回路諧振與基頻，那么它對于基頻呈很大的純電阻性阻抗，而對諧波的阻抗則很小，他們的值與諧振基頻之值相比可視為短路，因此，并聯(lián)諧振電路由于通過集電極電流所產生的的電位降幾乎只含有基頻。這樣集電極電流的失真雖然很大，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能夠得到正弦波的輸出，如下圖所示。回路的這種濾波作用可以從能量的觀點解釋。回路是由儲能元件L1、L2、C構成的。在集電極電流通過的期間，回路儲存能量；而在電流截止的期間，回路釋放能量，這樣就維持了回路中振蕩電流的持續(xù)性。

圖9 丙類功率放大器的輸出波形

圖10 丙類功率放大器的輸出波形

5 結束語

虛擬仿真平臺在高頻電子線路實驗教學中的廣泛應用有著非常重要的價值和作用，有了虛擬仿真平臺的幫助，一些比較具有抽象性、理解難度也比較大的內容會因此變得更加生動形象，比如，在虛擬仿真平臺中可通過改變電路參數(shù)得到不同的波形，學生們便可就此了解全過程。這會在很大程度上降低學生的學習和理解難度，可有效加深學生對理論知識的理解和應用，其對于激發(fā)和維護學生參與實驗學習的積極性和主動性也有著一定的幫助作用。