Multisim在高频电路实验中的应用
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摘 要:针对传统高频电路实验教学中存在的问题,提出在实验教学中引入multisim进行辅助分析与设计。利用Multisim对高频电路中的典型电路振幅调制及解调、丙类功率放大器进行了仿真研究,其各项结果与理论一致,且可以很方便地改变元件或电路中参数,观察不同条件下电路的工作情况。将虚拟实验和传统实验有机结合起来,能更好地提高学生的动手能力和探索精神。
关键词:Multisim; 高频电子线路; 振幅调制; 丙类功放
中图分类号:TP274 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)12-0048-03
Application of Multisim in High Frequency Circuit Experiment
ZHANG Ning, XIN Xiu-fang
(Department of Physics and Information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000, China)
Abstract: The Multisim simulation tool is introduced in experimental teaching for assisted analysis and design to solve the problems existed in traditional high frequency circuit experiment. The class-C high-frequency resonance power amplifier, amplitude modulation and demodulation are simulated by Multisim, which are typical circuits of high frequency circuit. All of the results are identical with the theory, and it is convenient to change the parameters and component of circuit, as well as observe the working flow of circuit in different conditions. The virtual experiment is integrated with traditional experiment, what can improve the students′ operational and groping ability.
Keywords: Multisim; high frequency circuit; amplitude modulation; class-C power amplifier
0 引 言
高频电路在通信系统和设备中占有重要的地位,是电子信息工程专业的必修课,是理论和技术性都很强的一门课程。高频电路实验是对专业理论学习的补充、延伸、巩固和提高。通过实验教学达到加深理解所学的理论知识,培养理论联系实际、分析与处理实际问题的能力。但是高频实验中存在着一个最大的问题就是实验不好做,由于实验对仪器精度要求高,高频电路易受外界的干扰,分布电容、分布电感的存在对实验电路影响大,实验调试难等导致了大多数学生都没有耐心和信心去完成实验内容,从而使得最后的实验效果不理想[1]。Multisim 2001是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一,由于它输入信号的幅度、频率和相位都可以控制到精确数值,实验频率可以很高,用数字仪器仪表测量,提高了实验精确度,改善了实验质量。它还为分析与设计电路提供了强大的计算机仿真工具。因此,利用它对高频电路进行仿真分析,不仅方便、经济,而且省时、高效,具有很高的实用价值。文章将结合高频实验的典型电路为例阐述Multisim 2001在高频电路实验教学中的应用。
1 Multisim 2001的主要功能和特点
Multisim是Interactive Image Technologies(Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具,该软件提供了具有多种测试仪器、元器件品种齐全的虚拟电子工作平台,由此摆脱了实验室条件的限制。通过计算机用该软件对学生进行有关虚拟测试仪器使用、电路设计与仿真、性能分析、时序测试等训练,具有丰富的仿真分析能力。
作为虚拟的电子工作平台,Multisim 2001提供了较为详细的电路分析方法,包括电路的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、稳态分析、离散傅里叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、温度扫描分析、零/极点分析、传递函数分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析、批处理分析、用户自定义分析和射频电路分析等。Multisim 2001既可对模拟或数字电路分别进行仿真,也可进行数模混合仿真,还具有射频电路的仿真功能,特别是先进的高频仿真和设计功能是目前众多通用电路仿真软件所不具备的[2]。
2 Multisim 2001用于高频电路实验仿真
Multisim 2001软件进行仿真分析的基本步骤为:根据原理和设计需要,创建仿真电原理图,然后根据实际情况设置好电路图选项,设定仿真分析方法,打开仿真开关,运行所设计好的电路,借助仿真仪器,即可得到所需仿真结果,同时结果还可以输出为文件和数据进┮徊姜分析处理[3-6]。
2.1 丙类功率放大器的仿真研究
进入Multisim 2001工作窗口绘制电路。谐振回路作为晶体管的负载,其谐振频率为信号源的频率对晶体管集电极电流进行选频滤波。为晶体管提供基极的负偏置电压,使放大器工作于丙类状态,直流电源提供直流能量。丙类功率放大器的作用原理都是利用输入到基极的信号,来控制集电极的直流电源所供给的直流功率,使之转变为交流信号功率输出[7-8]。
2.1.1 集电极电流的仿真
为了研究集电极的电流,用10 kΩ的电阻作为晶体管的负载,信号源频率改为1 kHz,由于负载为纯电阻则负载上电压的波形与电流波形的形状是一致的,接入oscilloscope观察其输出端电压的波形。
当信号源幅值较小时晶体管工作于欠压状态或者临界,其集电极电流如图1(a)所示尖顶脉冲。该尖顶脉冲为与输入信号周期相同的周期信号,其半导通角小于90°。当信号源幅值较大时晶体管工作于过压状态,其集电极电流为图1(b)所示的凹顶脉冲。该凹顶脉冲同样是为与输入信号周期相同的周期信号,半导通角也小于90°,但是比欠压状态时导通角的大。在上述两种情况下集电极电流包含很多谐波,与输入信号相比失真很大,因此不能用于低频率功率放大,只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。
图1 输出端电压波形
2.1.2 输出电压的分析
使并联谐振回路谐振与基频,那么它对于基频呈很大的纯电阻性阻抗,而对谐波的阻抗则很小,他们的值与谐振基频之值相比可视为短路,因此,并联谐振电路由于通过集电极电流所产生的电位降几乎只含有基频。这样集电极电流的失真虽然很大,但由于谐振回路的这种滤波作用,仍然能够得到正弦波的输出,如图2所示。回路的这种滤波作用可从能量的观点解释。回路是由储能元件L1,L2,C构成的。在集电极电流通过的期间,回路储存能量;而在电流截止的期间,回路释放能量,这样就维持了回路中振荡电流的连续性[7]。
图2 丙类功率放大器的输出波形
2.1.3 功率以及集电极效率
为了研究输出功率和集电极效率在电路中接入┝礁霆瓦特计(Wattmeter)。在信号源为2 V时分别测量直流电压源提供的功率和负载上所得到的功率分别为1.995 mW,1.539 mW。那么根据集电极效率的定义可得集电极效率为77.142 8%。
2.2 振幅调制与解调的仿真研究
振幅调制与解调电路如图3所示。
图3 振幅调制与解调电路
为了可以系统地掌握振幅调制与解调,建立如图3所示电路图。该电路包括振幅调制与解调部分。振幅调制部分利用调制信号的大小控制高频载频信号的振幅,使其随调制信号波形的变化而呈线性变化,其他参数(频率与相位)不变。解调部分从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号。
前半部分为振幅调制电路。调制信号频率为1 kHz,幅度为200 mV的小信号,载波频率为100 kHz,幅度为1 V的大信号。非线性元件二极管D2的导通与截止完全由载波控制。经过二极管后将产生┮幌盗歇的频率分量。L1与C1构成一带通滤波器其中心频率为载波频率,从二极管所产生的一系列的频率分量中取出所需要的100 kHz,101 kHz,99 kHz频率分量即调幅波的成分,其波形如图4所示。由于调制信号为正弦波则其调幅度为:
ma =1/2(Vmax-Vmin)V0=1/2(Vmax-Vmin)1/2(Vmax+Vmin)=
1/2(732.9-459.2)1/2(732.9+459.2)=0.236
利用频谱分析仪(Spectrum Analyzer)可以观察到调幅波的频谱如图5所示。从图5可以看出调幅波中含有100 kHz,101 kHz,99 kHz三个频率分量,这与理论相符合。对于该单音频调制信号的调幅波其带宽为2 Ω即2 kHz。
图4 调幅波波形
图5 调幅波的频谱
合适地设定解调电路的原件参数后进行仿真得到如图6所示的波形。从图6可以看出检波器的输出为波动很小的锯齿波,与高频调幅波的包络基本一致。
图6 包络检波器的输出波形
3 结 语
用仿真软件Multisim 2001对单调谐回路谐振放 大器和振幅调制与解调电路进行了仿真,结果显示与理论基本相同,学生通过仿真,可对该单元电路有初步认识。学生在仿真调试的界面上,可以很方便地改变元件或电路中参数,观察不同条件下电路的工作情况[9]。实验仿真软件用到的元器件与仪器都是理想的,而实际的元器件都存在一定的误差,其参数也不可能是理想的值,实验仿真的结果跟实际电路实验总会存在一定的差异[10]。因此,将虚拟实验和传统实验有机结合起来,能更好地提高学生的动手能力和探索精神。
参考文献
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