1251.電路仿真技術(shù)在高頻電子線路實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

1、電路仿真技術(shù)在高頻電子線路實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用摘要: 高頻電子線路是電子與通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)的是理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)一門(mén)課程, 它的大部分功能電路是非線性電路, 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式有較大的弊端，而將電路仿真技術(shù)引入到高頻電子線路課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)高頻電路進(jìn)行性能分析與測(cè)試, 能夠加深學(xué)生對(duì)高頻電路的工作原理和工程近似分析方法的理解和掌握,也有利于學(xué)生掌握電路的測(cè)試和調(diào)整方法,同時(shí)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。關(guān)鍵詞: 高頻電子線路；實(shí)踐教學(xué)；電路仿真技術(shù)；能力培養(yǎng)1 引言高頻電子線路是電子與通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)的必修課,實(shí)踐教學(xué)作為整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在加深學(xué)生

2、理解理論知識(shí)、增進(jìn)學(xué)習(xí)興趣、掌握知識(shí)要點(diǎn)、培養(yǎng)動(dòng)手能力等起到不可替代的作用，并能為以后的通信原理等后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ)。、高頻電子線路所研究?jī)?nèi)容主要是信息傳輸和信息處理方面的通信系統(tǒng)中基本電路，包括：高頻小信號(hào)放大電路、高頻功率放大器、正弦波振蕩器電路、調(diào)制和解調(diào)電路、混頻電路、反饋控制電路等。在高頻電子線路課程中, 大部分內(nèi)容是非線性電路, 對(duì)于非線性電路必須采用非線性分析方法, 而求解非線性方程是非常困難的, 實(shí)際工程上一般采用近似分析和求解的方法, 因此，對(duì)于這部分內(nèi)容的理解和掌握難度較大。同時(shí), 由于非線性電子電路工作頻率較高以及電路的復(fù)雜性,許多實(shí)際問(wèn)題及理論都需要通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)來(lái)加

3、深理解。將電路仿真軟件引入到高頻電子線路課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，將有助于學(xué)生加深理解該課程基本理論和基本原理，同時(shí)可以提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，為將來(lái)走上工作崗位奠定基礎(chǔ)。2 傳統(tǒng)高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)現(xiàn)行高頻電子線路課程實(shí)驗(yàn)普遍采用高頻電子線路實(shí)驗(yàn)箱完成, 實(shí)驗(yàn)箱中一般設(shè)置了十多個(gè)為配合理論課程而設(shè)計(jì)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和個(gè)別作為學(xué)生綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)有以下缺點(diǎn):1) 目前大多數(shù)高校的高頻電子線路實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性的內(nèi)容,主要是讓學(xué)生掌握課本上大部分基礎(chǔ)理論和基本電路模塊的工作原理,如lc 串并聯(lián)諧振回路、混頻器、振蕩器、鎖相環(huán)與頻率合成技術(shù)、

4、調(diào)幅、調(diào)頻等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。雖然這種驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解和加深課堂所學(xué)的內(nèi)容, 但由于高頻典型電路都是設(shè)計(jì)好的, 電路連接過(guò)于簡(jiǎn)單, 學(xué)生只是對(duì)輸入輸出信號(hào)做簡(jiǎn)單的分析,忽略了高頻電路中典型電路的基本結(jié)構(gòu), 同時(shí)也逐漸淡忘了電子電路基礎(chǔ)課程中一些電路連接的方法及元器件的選擇方法。2) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，如果某部分電路或某個(gè)元器件被損壞, 維修過(guò)程過(guò)于麻煩。因?yàn)殡娐返臋z修、配置相應(yīng)的元器件都有相當(dāng)大的難度,同時(shí)，也無(wú)法更換電路模塊, 須送回廠家維修,會(huì)影響課程的正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)。3) 高頻電子線路實(shí)驗(yàn)課課時(shí)一般16-18課時(shí)左右,只能完成8-9個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),甚至無(wú)法涉及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。因此，

5、并不能提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手與設(shè)計(jì)能力以及如何利用基本單元電路進(jìn)行具體的應(yīng)用，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力也很不利。3 電路仿真技術(shù)高頻電子線路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用在利用仿真軟件的仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生選擇元件和儀器,設(shè)置電路元件參數(shù),按照設(shè)計(jì)電路進(jìn)行元件的連接,有助于學(xué)生熟悉電路,同時(shí)加深對(duì)電路原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解.另外,在仿真過(guò)程中,學(xué)生可以根據(jù)自己的思路,修改實(shí)驗(yàn)電路、修改元件參數(shù)和輸入信號(hào),通過(guò)輸出信號(hào)進(jìn)行研究和分析,進(jìn)一步完善電路。 常用仿真工具有multisim和pspice等。1）multisim 2001 也是一種用于電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交互式仿真軟件,它有強(qiáng)大的分析功能提供了多種電路的分

6、析功能,有直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析等,可幫助學(xué)生分析電路的性能,大大縮短分析時(shí)間. 同時(shí),還具備了強(qiáng)大的虛擬儀器儀表功能,提供了雙蹤示波器、邏輯分析儀、波特圖示儀、數(shù)字萬(wàn)用表等多種虛擬儀器、儀表,操作界面和在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際操作儀器基本一樣,可非常方便地用于分析研究和教學(xué). 通過(guò)此仿真工具,能非常方便地將元器件的選擇、原理圖設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真運(yùn)行等融為一體,組成計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并通過(guò)驗(yàn)證型、綜合型、設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型等不同訓(xùn)練形式,培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力.2）pspice是較早出現(xiàn)的eda軟件之一，1985年就由microsim公司推出。pspice是功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電

7、路混合仿真eda軟件。pspice具有強(qiáng)大的電路分析功能，包括： (1)直流分析:包括電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析、直流小信號(hào)傳遞函數(shù)值分析、直流掃描分析與直流小信號(hào)靈敏度分析。分析結(jié)果以文本文件方式輸出。(2)交流小信號(hào)分析:包括頻率響應(yīng)分析和噪聲分析。根據(jù)用戶(hù)所指定的頻率范圍內(nèi)對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。(3)瞬態(tài)分析: 即時(shí)域分析，包括電路對(duì)不同信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)，時(shí)域波形經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換（fft）后，可得到頻譜圖。通過(guò)瞬態(tài)分析，也可以得到數(shù)字電路時(shí)序波形。另外，pspice可以對(duì)電路的輸出進(jìn)行傅里葉分析，得到時(shí)域響應(yīng)的傅里葉分量（直流分量、各次諧波分量、非線性諧波失真系數(shù)等）。這些結(jié)果以文本方式輸出。(

8、4)靈敏度分析: 靈敏度分析是計(jì)算電路指定的輸出變量對(duì)電路元件參數(shù)的小信號(hào)靈敏度值。 (5)溫度特性分析：pspice通常是在27情況下進(jìn)行各種分析和仿真的，如果用戶(hù)指定電路的工作溫度，則可以進(jìn)行不同溫度下的電路特性分析。 (6)蒙特卡羅（monte carlo）分析和最壞情況（worst case）分析：蒙特卡羅分析是分析電路元器件參數(shù)在它們各自的容差（容許誤差）范圍內(nèi)，以某種分布規(guī)律隨機(jī)變化時(shí)電路特性的變化情況，這些特性包括直流、交流或瞬態(tài)特性。最壞情況分析與蒙特卡羅分析都屬于統(tǒng)計(jì)分析，所不同的是，蒙特卡羅分析是在同一次仿真分析中，參數(shù)按指定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律同時(shí)發(fā)生隨機(jī)變化；而最壞情況分析則是在

9、最后一次分析時(shí)，使各個(gè)參數(shù)同時(shí)按容差范圍內(nèi)各自的最大變化量改變，以得到最壞情況下的電路特性。4 利用psipce對(duì)大信號(hào)非線性電子電路進(jìn)行瞬態(tài)分析一階rc電路如圖所示。試?yán)胮spice進(jìn)行電路的時(shí)域響應(yīng)（瞬態(tài)）分析。圖1rc電路 圖2 激勵(lì)源選擇(1)電路圖的繪制，如圖1示。輸入電路圖名稱(chēng)（如rc），繪制電路圖。激勵(lì)為電壓脈沖源，選用source.slb庫(kù)中的vpulse分別鍵入下面參數(shù)的名稱(chēng)和數(shù)值：v10v（初始值），v25v（幅值），tr0.4s（上升時(shí)間），tf0.5s（下降時(shí)間），td0（延遲時(shí)間），pw10ms（脈沖寬度），per20ms（周期）。pspice庫(kù)中存有各種類(lèi)型瞬態(tài)分

10、析電壓（電流）激勵(lì)源供調(diào)用，脈沖源vpulse是其中之一，如圖2示 (2)執(zhí)行pspice分析程序，結(jié)果波形見(jiàn)圖所示。其中脈沖波是輸入的矩形脈沖，三角波是輸出波形。由于電路的時(shí)間常數(shù)，r1=100rc100101061ms,而矩形輸入脈沖的周期是t=20ms，因此本例中的rc電路為積分電路，輸出電壓波形仍是矩形波，如圖3示；而電流波形是一個(gè)尖頂波如圖4所示。圖3 輸出電壓波形圖4 電流波形(3)當(dāng)r1=2k（或者大于2k）此時(shí) rc20001010620ms（或20ms），輸出的電壓波形變換成三角波，而且在波形輸出窗口中可以觀察到電容的動(dòng)態(tài)充電過(guò)程，即其平均電壓值在升高，開(kāi)始時(shí)，是“充得多，放

11、得少”電容電壓開(kāi)始“爬坡”，大約在80ms后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即是電容電壓“充多少，放多少”保持一個(gè)穩(wěn)定值，如圖5所示。這種現(xiàn)象在通常無(wú)存儲(chǔ)的示波器上是觀察不到的。圖5 電容的動(dòng)態(tài)充電過(guò)程通過(guò)對(duì)一階rc電路的pspice仿真，可以看出仿真結(jié)果符合理論分析，很容易讓學(xué)生理解一階rc電路電路的時(shí)域特性，也深刻理解了電容的充電過(guò)程，達(dá)到了事半功倍的效果。5 結(jié)束語(yǔ)將multisim和psipce等仿真工具軟件引入到高頻電子線路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,電路的穩(wěn)定性分析、頻率響應(yīng)等內(nèi)容都可以通過(guò)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn),從而提高教學(xué)效果,增加學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。并且通過(guò)軟件仿真環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生利用工具分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，也培

12、養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)也讓學(xué)生了解到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)分析問(wèn)題的重要性。 利用電路仿真技術(shù)對(duì)高頻電子線路進(jìn)行性能測(cè)試、分析, 不僅使學(xué)生加深了對(duì)高頻電路的工作原理和工程近似分析方法的理解, 同時(shí)也使掌握了高頻電路的測(cè)試、調(diào)整方法。此外, 利用電路仿真技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行性能調(diào)試, 不用擔(dān)心元器件的損壞及電路安全, 學(xué)生通過(guò)仿真測(cè)試后, 再進(jìn)行實(shí)際電路調(diào)試, 更具有針對(duì)性,同時(shí)也減少了元器件和實(shí)驗(yàn)器件的損壞。利用電路仿真技術(shù)教學(xué)是既經(jīng)濟(jì)又安全的科學(xué)教學(xué)方法，同時(shí)也極大地提高學(xué)習(xí)興趣與電路設(shè)計(jì)的能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。參考文獻(xiàn)：1 董在望,等.通信電路原理m.北京:高等教育出版社,20022 張肅文.高頻電

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14、retical and practical and for electronic and communication professional, most of its functional circuit is non-linear , the traditional experiments teaching way have greater disadvantages, and bring the circuit simulation technology to the high-frequency electronic circuit experiment teaching for high-frequency circuit analysis and testing, can deepen the students understanding and grasping to the theorem and engineering similar analysis method of the high-frequency circuits , but also conducive to students to grasp the test and adjust method of the circuit,