楊友福 殷敬偉 周天 李楊

摘? 要：高頻電子線路實(shí)驗(yàn)作為電子通信類專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)普遍反映抽象難懂、不易操作、容易出錯(cuò)，將Proteus軟件引入到課程中，強(qiáng)化“軟硬結(jié)合、先仿真后實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)理念。利用Proteus軟件對(duì)高頻實(shí)驗(yàn)課程中的高頻小信號(hào)調(diào)諧放大電路進(jìn)行仿真分析，觀察了輸出信號(hào)波形、幅頻特性響應(yīng)、諧振頻率、通頻帶等指標(biāo)參數(shù)，并與實(shí)物電路測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，獲得了一致的結(jié)論，將理論上抽象難懂、實(shí)驗(yàn)中調(diào)試繁瑣的課程變得生動(dòng)形象、簡(jiǎn)單易作，既提升了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，又能提高學(xué)生掌握現(xiàn)代仿真工具軟件、形成先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和思維能力，達(dá)到了學(xué)生能力培養(yǎng)、教學(xué)效果提升的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：高頻電路;Proteus仿真軟件;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)教學(xué)既是知識(shí)傳授的手段，也是將理論知識(shí)升到指導(dǎo)實(shí)踐的過(guò)程，更是基本工程素質(zhì)、實(shí)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(guān)專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力要求高[1]。高頻電路實(shí)驗(yàn)作為一門與理論課相配套的專業(yè)實(shí)踐課程，課程內(nèi)容安排及課程組織實(shí)施靈活性強(qiáng)，課程效果好，則有助于學(xué)生夯實(shí)理論知識(shí)、提高動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至就業(yè)深造等打下牢固的實(shí)踐基礎(chǔ)。課程效果一般，對(duì)學(xué)生缺乏吸引力、不能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、學(xué)生個(gè)性和創(chuàng)新能力將得不到彰顯，教學(xué)目標(biāo)不能達(dá)成。如何提高高頻實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量與效果，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程促進(jìn)學(xué)生各方面綜合能力提升，是授課教師必須認(rèn)真思考和研究的課題[2]。

為了提高學(xué)生對(duì)高頻實(shí)驗(yàn)課程興趣，提升課程吸引力、增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)主動(dòng)性，同時(shí)能達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量效果、培養(yǎng)學(xué)生能力的目標(biāo)，哈工程水聲學(xué)院通過(guò)本科課程教學(xué)改革立項(xiàng)的契機(jī)推進(jìn)高頻實(shí)驗(yàn)課程改革，構(gòu)建先虛擬后實(shí)物、先仿真后實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，將理論上抽象難懂、實(shí)驗(yàn)中調(diào)試繁瑣的課程變得生動(dòng)形象、簡(jiǎn)單易操作，從而達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本文以高頻小信號(hào)放大電路為例，說(shuō)明了Proteus軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的仿真分析和應(yīng)用。

一、實(shí)驗(yàn)原理

高頻小信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)高頻小信號(hào)的放大[3]。放大器的負(fù)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(dá)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(hào)放大器的質(zhì)量指標(biāo)主要有[4]：

諧振頻率，放大器調(diào)諧回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為放大器的諧振頻率，對(duì)于LC組成的并聯(lián)諧振電路，諧振頻率的表達(dá)式為：

f=

式中，L為調(diào)諧回路電感線圈的電感量;C為調(diào)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(shí)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(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)下降到諧振電壓放大倍數(shù)的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率偏移量為放大器的通頻帶帶寬，通常用BW表示，有時(shí)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(zhì)因數(shù)。

二、Proteus軟件仿真

Proteus軟件由英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的EDA工具軟件，軟件功能強(qiáng)大，集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多中功能于一身，是目前最先進(jìn)、最完善的可視化設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)[5]。Proteus軟件擁有強(qiáng)大的元件庫(kù)和豐富實(shí)驗(yàn)的仿真工具，電路仿真功能可以和Multisim媲美[6]，單片機(jī)仿真功能則讓后者及其他仿真軟件望塵莫及，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展和推廣，該軟件越來(lái)越受到電子設(shè)計(jì)者的青睞和廣泛使用。

實(shí)驗(yàn)仿真電路如圖1，電路以高頻晶體管為核心部件，采用正、負(fù)5V雙電源供電，集電極采用LC并聯(lián)回路作負(fù)載。仿真時(shí)，輸入端輸入峰-峰值Vpp=50mV的正弦波信號(hào)，信號(hào)頻率可通過(guò)面板改變?cè)O(shè)置，通過(guò)示波器、交流表等仿真儀器觀察電路輸出波形和指標(biāo)值。學(xué)生可以利用逐點(diǎn)測(cè)量法或頻率響應(yīng)分析工具等方式測(cè)量并計(jì)算電路諧振頻率、諧振增益、通頻道等指標(biāo)參數(shù)，也可以通過(guò)改變?cè)?shù)的方式研究電路靜態(tài)工作點(diǎn)和諧振特性變化情況。

仿真輸出信號(hào)波形及電路幅頻特性曲線如圖2和圖3所示，可以看出當(dāng)輸入信號(hào)頻率f=650KHz時(shí)，輸出端具有最大增益，為12dB，此時(shí)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(duì)信號(hào)通頻帶為330KHz。

三、實(shí)驗(yàn)操作

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生首先利用課堂所學(xué)的理論知識(shí)，進(jìn)行高頻小信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)和計(jì)算，此階段有助于學(xué)生掌握所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí);之后利用Proteus軟件進(jìn)行建模仿真，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析電路參數(shù)，驗(yàn)證此前理論計(jì)算的正確性，此階段有助于學(xué)生掌握Protues軟件和深化對(duì)實(shí)驗(yàn)原理與方法的理解，做到進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前的有的放矢;最后學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，自己動(dòng)手搭建高頻小信號(hào)放大電路，并進(jìn)行電路指標(biāo)測(cè)試和調(diào)試，此階段有助于學(xué)生理解實(shí)物與仿真的區(qū)別和聯(lián)系，提升動(dòng)手和解決問題能力。

實(shí)物電路及測(cè)量結(jié)果如圖4和圖5所示，電路元件參數(shù)和輸入信號(hào)同仿真一致，其中利用點(diǎn)頻測(cè)量的方式尋找增益最大點(diǎn)和3dB帶寬，可得到增大增益約為10.4dB，帶寬約為320khz，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，通過(guò)這種軟硬結(jié)合、先虛后實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生提前了解實(shí)驗(yàn)流程、預(yù)期實(shí)驗(yàn)成果和現(xiàn)象，具有便捷、省時(shí)、安全等特點(diǎn)，軟件仿真也極大地降低了實(shí)物操作過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)器材、元件損壞等誤操作發(fā)生，同時(shí)也提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)效率和對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的系統(tǒng)性掌握。

四、結(jié)束語(yǔ)

將Proteus仿真軟件引入到高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用軟件仿真與實(shí)物操作互補(bǔ)驗(yàn)證功能，要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)前利用軟件進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)、仿真、分析驗(yàn)證，強(qiáng)化先仿真、后操作的教學(xué)理念，使學(xué)生提前了解實(shí)驗(yàn)流程、預(yù)期實(shí)驗(yàn)成果和現(xiàn)象，既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間又能降低實(shí)驗(yàn)器材損壞概率，同時(shí)，軟件環(huán)境中可以靈活地設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、更換實(shí)驗(yàn)器件，實(shí)現(xiàn)了研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，彌補(bǔ)了硬件操作上的不足，給學(xué)生更多嘗試的可能，既豐富了實(shí)驗(yàn)，又利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。總之，仿真軟件的運(yùn)用，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程成為主動(dòng)思考、自主設(shè)計(jì)、能力提升的過(guò)程，更易于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新精神，在高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的歡迎。

參考文獻(xiàn)：

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