馬海燕 楊 犀

（洛陽(yáng)師范學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）

1 引言

當(dāng)前高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，仍舊以教師講解為主的教學(xué)方式。但隨著計(jì)算機(jī)信息教學(xué)設(shè)備的快速發(fā)展，使用仿真軟件進(jìn)行高頻電子線路實(shí)驗(yàn)，逐漸成為仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主流。因此本文主要運(yùn)用Matlab軟件中的Simulink、PSpice仿真軟件，來(lái)對(duì)通信系統(tǒng)和電子電路的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的革新。

2 高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的必要性

相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)教學(xué)課件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的理論性與實(shí)踐性更強(qiáng)，學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)軟件操作中的參與感也更強(qiáng)。而且高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的綜合性較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)類目與涉及的硬件設(shè)備較多，現(xiàn)有學(xué)時(shí)不能完成所有通信系統(tǒng)和電子電路的仿真教學(xué)。對(duì)于高頻電子線路綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，其主要目的在于幫助學(xué)生掌握通信系統(tǒng)中各個(gè)電路存在的關(guān)聯(lián)屬性。因此使用Matlab仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真教學(xué)，能夠擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，幫助學(xué)生完成具體電子線路流程的操作。同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)軟件的操作更加靈活，學(xué)生可以根據(jù)自身需要，在課下完成相應(yīng)電子電路的仿真操作，這能夠有效提高通信系統(tǒng)和電子電路的仿真實(shí)驗(yàn)效率。

3 高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的模型

3.1 基于硬件電路的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

高頻電子線路中存在著大量的線路設(shè)計(jì)、電路分析問(wèn)題，所以在利用PSpice進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的硬件線路進(jìn)行設(shè)計(jì)。PSpice作為主要的Matlab仿真軟件，其能夠快速完成常用電路的設(shè)計(jì)與分析工作。而且在直流、交流和瞬時(shí)電路的模擬分析中，PSpice仿真軟件有著較高的精確度。PSpice仿真軟件在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，可以有效幫助學(xué)生梳理仿真實(shí)驗(yàn)的整個(gè)流程，并能夠解決現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中元器件的調(diào)試問(wèn)題。在諧振功率放大器的實(shí)驗(yàn)中，利用PSpice仿真軟件進(jìn)行電子線路電壓、電流的仿真操作，可以直觀觀察到諧振功率放大器的數(shù)據(jù)變化情況。3.1.1 調(diào)諧放大器的諧振電路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

接收機(jī)調(diào)諧放大器的諧振電路實(shí)驗(yàn)中，需要使用小信號(hào)調(diào)諧放大器進(jìn)行電壓放大。小信號(hào)調(diào)諧放大器中存在多集電極晶體管，多集電極晶體管包含電容、電感等元器件。整個(gè)調(diào)諧放大器仿真電路，屬于電路端電壓、總電流同相位的補(bǔ)償回路。在單一次數(shù)調(diào)諧的并聯(lián)諧振回路中，電阻L1、L2與電容C存在著并聯(lián)的關(guān)系，所以在諧振電路實(shí)驗(yàn)仿真過(guò)程中，需要關(guān)注互感元件的電感匝數(shù)。通過(guò)使用PSpice仿真軟件，進(jìn)行諧振頻率放大倍數(shù)、放大能力和頻率選擇性等的仿真，并在計(jì)算機(jī)中顯示最終仿真結(jié)果。假設(shè)調(diào)諧放大器諧振電路的起始電壓為0、頻率0.5MHz，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其終止頻率為50 MHz。調(diào)諧放大器諧振電路電壓放大倍數(shù)最大的時(shí)刻，其諧振頻率f處于5MHz的位置，在計(jì)算機(jī)中輸出的最大電壓值為12mV。從以上數(shù)據(jù)可以得出：在調(diào)諧放大器諧振電路中，電壓放大了12倍，放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力為2Δf。因此對(duì)于調(diào)諧放大器諧振交流電路的參數(shù)分析，能夠有效得出諧振頻率的放大倍數(shù)、放大能力和頻率選擇性等仿真信息，PSpice仿真電路設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)便。3.1.2 超外差接收機(jī)的PSpice仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

除使用Simulink軟件進(jìn)行超外差接收機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)之外，還可以使用PSpice仿真軟件，進(jìn)行超外差接收機(jī)仿真模型的構(gòu)建。在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，超外差接收機(jī)通常被應(yīng)用到無(wú)線電接收系統(tǒng)內(nèi)部。其仿真電路主要通過(guò)流水線乘法器LPM模塊，來(lái)完成幅度調(diào)制信號(hào)的輸入活動(dòng)。之后使用集成電路模擬乘法器MC1496，進(jìn)行集成混頻器的設(shè)置，從而完成電路中信號(hào)頻率的變換活動(dòng)。最后使用調(diào)諧放大器進(jìn)行頻率的放大，使用二極管大信號(hào)包絡(luò)檢波器進(jìn)行頻率的解調(diào)。運(yùn)用PSpice仿真軟件進(jìn)行超外差接收機(jī)仿真設(shè)計(jì)，能夠幫助學(xué)生快速理解電子線路的實(shí)驗(yàn)流程。

3.2 基于電路原理的通信系統(tǒng)仿真模型

Simulink作為Matlab軟件中面向框圖的仿真軟件，其能夠?yàn)橛脩籼峁┠K化的圖形編輯器組合，也能夠創(chuàng)建動(dòng)態(tài)化的系統(tǒng)模型。Simulink還具有豐富的擴(kuò)展模塊窗口，可以幫助用戶完成仿真實(shí)驗(yàn)的建?；顒?dòng)。Simulink仿真軟件將不同功能分割為不同的設(shè)計(jì)模塊，從而完成對(duì)復(fù)雜功能的規(guī)范化管理。相比于其他建模仿真軟件，Simulink仿真軟件操作步驟更加簡(jiǎn)便，用戶只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)就能夠完成需要的仿真操作。在實(shí)現(xiàn)高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)之后，計(jì)算機(jī)屏幕中就會(huì)顯示相應(yīng)的仿真結(jié)果。本文主要探討Simulink仿真軟件在通信系統(tǒng)、電子電路中的仿真，通過(guò)建立層級(jí)結(jié)構(gòu)的Simulink仿真模型，來(lái)完成用戶想要的電子線路仿真操作。對(duì)于高頻電子線路的仿真實(shí)驗(yàn)，主要利用Simulink仿真軟件構(gòu)建輸入數(shù)據(jù)源、接收數(shù)據(jù)源等，來(lái)完成通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。

在使用Simulink軟件進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)之前，首先應(yīng)單擊工具欄選擇菜單中的“File”-“New”-“Model’，來(lái)構(gòu)建需要的仿真模塊。之后將不同的Simulink模塊拖拽至對(duì)應(yīng)的模型窗口，并用鼠標(biāo)設(shè)置不同模塊的參數(shù)信息，最后把所有Simulink模塊連接為一個(gè)整體。接下來(lái)在模型窗口選擇菜單“Simulation”-“Simulation parameters……”，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在Solver頁(yè)對(duì)仿真起始和結(jié)束時(shí)間、仿真步長(zhǎng)、仿真解法和輸出模式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在模型窗口設(shè)置最大步長(zhǎng)的信息，就能夠從Scope示波器中查看相應(yīng)的輸出波形。其中超外差接收機(jī)中的振蕩信號(hào)會(huì)隨著接收頻率的變化而變化，超外差接收機(jī)Simulink仿真模型如圖1所示，調(diào)幅廣播接收機(jī)系統(tǒng)的仿真波形如圖2所示。

圖1 超外差接收機(jī)Simulink仿真模型

圖2 調(diào)幅廣播接收機(jī)系統(tǒng)的仿真波形

4 高頻電子線路動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)分析

4.1 模擬通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)分析

在模擬通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，主要使用Simulink仿真工具進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)。相比于通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，使用Simulink的模擬通信系統(tǒng)仿真操作性更強(qiáng)。Simulink仿真軟件將不同功能分割為不同的設(shè)計(jì)模塊，控制界面將所有通信系統(tǒng)模塊連接為一個(gè)整體。在完成模擬通信系統(tǒng)各個(gè)模塊的組建后，需要構(gòu)建高頻發(fā)射、高頻接收電路，并在通信系統(tǒng)中對(duì)控制界面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在模擬通信系統(tǒng)仿真的控制界面中，還可以對(duì)調(diào)頻、調(diào)幅、雙邊帶調(diào)幅等調(diào)制方式進(jìn)行選取，設(shè)置相應(yīng)的振蕩幅度、振蕩頻率和中頻頻率等參數(shù)信息，并在顯示器中觀察最終的頻譜波形。其中模擬通信系統(tǒng)中的波形，會(huì)隨著各個(gè)參數(shù)的變化而發(fā)生改變，因此可以在波形數(shù)據(jù)的顯示面板，來(lái)觀察不同波形的影響。

模擬通信系統(tǒng)中的各個(gè)仿真模型，與控制界面的波形顯示存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。教師可以設(shè)置發(fā)射電路、接收電路面板，來(lái)完善模擬通信系統(tǒng)的操作結(jié)構(gòu)。在發(fā)射與接收的仿真系統(tǒng)中，將整個(gè)仿真系統(tǒng)分為發(fā)射部分和接收部分。其中發(fā)射部包括調(diào)制前后頻譜、調(diào)制信號(hào)、載波、調(diào)頻、調(diào)幅和雙邊帶調(diào)幅等，接收部分包括高頻放大、中頻放大、混頻、混頻前后頻譜合檢波等，其主要組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。這些元器件都被封裝在Simulink的模擬通信系統(tǒng)中，學(xué)生可以通過(guò)點(diǎn)擊引導(dǎo)來(lái)查看部分框圖。以模擬通信系統(tǒng)中的混頻子系統(tǒng)為例，混頻子系統(tǒng)主要輸入高頻放大信號(hào)In1、本地載波信號(hào)Out1，之后在混頻子系統(tǒng)中進(jìn)行混頻操作。混頻要將兩個(gè)輸入信號(hào)函數(shù)值的積，化為另兩個(gè)輸入信號(hào)函數(shù)值和的常數(shù)倍，并將最終和頻信號(hào)分為兩個(gè)輸出信號(hào)In1和In2。和頻信號(hào)包括信號(hào)Out1、Constant1、Product2、Product3、VO1和V3等，其主要組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4的大方框。因此使用模擬通信系統(tǒng)進(jìn)行電子線路的封裝，能夠使整個(gè)動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便，也可以使學(xué)生清晰地看到每個(gè)操作流程。學(xué)生也可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)內(nèi)容，對(duì)模擬通信系統(tǒng)中的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以提高電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的效率。

圖3 模擬通信發(fā)射與接收的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 模擬通信的混頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2 高頻發(fā)射機(jī)電路的仿真實(shí)驗(yàn)分析

在發(fā)射機(jī)電路仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建中，首先需要將低頻信號(hào)發(fā)生器、載波發(fā)生器、幅度調(diào)制和高頻功率放大單位等，組合為發(fā)射機(jī)層級(jí)框架。其中發(fā)射機(jī)層級(jí)框架的每個(gè)元器件內(nèi)，有包含若干的高頻發(fā)射機(jī)電路框圖。例如：在載波發(fā)生器的仿真實(shí)驗(yàn)中，包含有多個(gè)電容、電阻和晶體管發(fā)射極，通過(guò)改變?nèi)龢O管基極的偏置電阻R數(shù)值，來(lái)對(duì)發(fā)射機(jī)中各個(gè)電流的變化情況進(jìn)行分析。同時(shí)還要對(duì)反饋系數(shù)F、電容數(shù)值進(jìn)行觀測(cè)，以確定兩數(shù)值對(duì)振蕩幅度和起振時(shí)間的影響。

4.3 高頻接收機(jī)電路的仿真實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)于高頻接收機(jī)電路的仿真實(shí)驗(yàn)，其主要內(nèi)容為調(diào)諧放大器仿真實(shí)驗(yàn)、幅度檢波器失真實(shí)驗(yàn)。由于兩種電路所需實(shí)驗(yàn)元器件較多，因此運(yùn)用PSpice軟件進(jìn)行虛擬電路模塊的構(gòu)建，可以更加快捷地修改電路中的參數(shù)信息。在完成調(diào)諧放大器諧振回路搭建后，需要對(duì)電路的諧振曲線進(jìn)行分析。通過(guò)改變接入器件的相關(guān)參數(shù)，再次觀察得到的波形信息。例如：在學(xué)生進(jìn)行調(diào)諧放大器諧振回路仿真中，可以要求學(xué)生調(diào)整初級(jí)線圈、次級(jí)線圈的電感TX，并觀察調(diào)諧放大器的放大性能變化。通過(guò)調(diào)整三極管集電極電流大小，來(lái)觀察輸入信號(hào)的振幅變化情況。

對(duì)于幅度檢波器的失真實(shí)驗(yàn)，首先需要將檢波二極管進(jìn)行反接，觀察高頻信號(hào)解調(diào)與輸出波形的情況。檢波輸出可能產(chǎn)生三種失真：第一由于檢波二極管伏安特性彎曲引起的非線性失真；第二由于濾波電容放電慢引起的惰性失真；第三是由于輸出耦合電容上直流電壓引起的負(fù)峰值失真。因此在幅度檢波器的失真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要運(yùn)用示波器對(duì)兩個(gè)輸入波形頻率f進(jìn)行測(cè)量，將幅度調(diào)整到波形正常的數(shù)值。然后要對(duì)電路中存在的非線性原因，采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施進(jìn)行控制，以保證集電極電源電壓的穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

在高頻電子線路的仿真實(shí)驗(yàn)中，需要運(yùn)用相應(yīng)的教學(xué)手段，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)高頻電子線路的仿真實(shí)驗(yàn)，會(huì)涉及到大量的元器件和仿真電路的連接，因此使用硬件的實(shí)驗(yàn)獲得效果較差。本文主要運(yùn)用Matlab軟件中的Simulink、PSpice仿真軟件，進(jìn)行模擬通信系統(tǒng)、高頻發(fā)射機(jī)電路和高頻接收機(jī)電路的仿真實(shí)驗(yàn)。這種模擬硬件的電子線路仿真模式，在實(shí)驗(yàn)操作方面更加靈活，獲得的實(shí)驗(yàn)效果也更好。

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