摘 要： 為了提高高頻電子線路課程的教學質量， 把電路仿真軟件Multisim 11 用于教學實踐， 設計實現(xiàn)了平衡調幅電路、乘積型同步檢波電路、調頻信號產生電路及鎖相環(huán)鑒頻電路?；诓蓸狱c數、顯示頻率及頻率分辨率的關系， 確定了頻譜分析儀的默認采樣頻率， 并給出清晰的測試點頻譜圖。在教學實踐中， 通過對仿真電路的理論分析和生動直觀地展現(xiàn)仿真結果， 不僅使學生加深了對理論知識的理解， 還有助于提高學生的電路設計能力。

　　0  引 言

　　高頻電子線路是電子通信類的技術基礎課程之一， 涉及到通信系統(tǒng)中高頻單元電路的功能、結構及性能分析等理論知識， 同時也具有培養(yǎng)學生高頻電路設計實踐能力的教學目的。

　　在該課教學中， 引入多媒體有利于提高課堂教學容量、展現(xiàn)復雜的電路圖和波形圖， 但原理電路和理論分析得出的波形及公式結論缺乏真實感; 實驗課是加深理論知識的學習和培養(yǎng)電路實踐能力的重要環(huán)節(jié)， 但由于不能保證實驗與理論的同步進行， 使得實驗與理論知識聯(lián)系不夠緊密， 而實驗電路通常所采用模塊化設計， 束縛了學生的創(chuàng)造力， 對實踐能力的提高作用有限 。

　　近年來， 電路仿真軟件的涌現(xiàn)和功能的不斷完善為解決上述困境提供了良好的平臺，把電路仿真實驗引入到理論教學中， 既加深了學生對理論知識的理解，又激發(fā)了學生利用仿真平臺進行電路設計的積極性， 進而起到了聯(lián)系理論學習和實踐能力培養(yǎng)的紐帶作用。

　　1  Multisim 11 仿真軟件簡介

　　Mult isim 11 美國國家儀器公司（ Nat ional Inst rument s, NI） 于2009 年12 月推出的電路仿真軟件版， 學生版、教育版和版可提供4 000~ 17 000 個電路元器件， 除虛擬元件外基本采用實際參數模型， 所實現(xiàn)的仿真具有較強的真實性。該仿真軟件提供了豐富的測試儀器，如萬用表、示波器、函數信號發(fā)生器、掃頻儀、失真度測量儀、頻譜分析儀、網絡分析儀等， 并且提供了強大的電路分析手段， 如電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、時域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析等。全面的電路分析手段為正確驗證電路功能和分析電路參數提供了有力保證。

　　2  基于Multisim 11 的高頻電路仿真

　　調幅和調頻及其解調電路是高頻電子線路中的重要知識內容， 教學中的理論分析和數學推導較多， 學生理解和掌握存在一定的困難。結合Mult isim 11 強大的電路設計仿真功能進行教學， 不僅可以把仿真電路及其測試結果直觀地展現(xiàn)出來， 加深對理論知識的理解并提高學習興趣， 通過布置任務讓同學自己親身體驗電路的實際仿真測試結果， 還能加強對學生電路設計能力的培養(yǎng)。

　　2. 1  二極管平衡調幅電路

　　二極管平衡調幅電路如圖1 所示。在電路中載波信號頻率為150 kHz, 載波振幅為1 V, 調制信號頻率為1 kHz, 調制信號振幅為50 mV, 載波使二極管工作于開關狀態(tài)。在儀表中選擇示波器和頻譜分析儀。

圖1 二極管平衡調幅電路

　　設定的頻譜范圍是140~ 160 kH z, 顯示頻率為f max = 160 kHz。頻譜分析儀的默認采樣點數為N = 1 024, 此時的頻率分辨率為Fmin = 625 Hz, 可得頻譜分析儀的默認采樣頻率為f s = NFmin / f max = 4, 即采樣頻率為頻率的4 倍。

　　若設置FFT 采樣點數設置為N = 8 192, 此時頻率分辨率為Fmin= f s/ N = 78. 125 Hz。

　　在教學中， 首先引導學生分析該仿真電路， 然而確定電路可以得到抑制載波的雙邊帶調幅信號（ DoubleSideband Signal, DSB） , 再利用示波器和頻譜分析儀給出圖2 的仿真分析結果。

圖2  平衡調幅信號波形及頻譜

　　由圖2（ a） 可以看出平衡調幅信號包絡變化不能完全反應調制信號的變化規(guī)律， 由圖2（ b） 可清晰地分辨出兩條譜線的頻率分別為149 kHz 和151 kHz, 正好是載波信號與調制信號的和差頻。

　　2. 2  乘積型同步檢波電路

　　利用模擬乘法器可實現(xiàn)平衡調幅、同步檢波及混頻等多種高頻電路的功能。

　　圖3 為利用乘法器實現(xiàn)同步檢波的仿真電路。在電路中首先利用模擬乘法器得到調幅信號， 然后再用另一個模擬乘法器實現(xiàn)同步檢波。需要說明的是在Mult isim 11 中有實際的模擬乘法器器件AD734，此處為了更加直觀簡潔地展示乘法器的功能及各測試點的波形頻譜， 僅采用了虛擬的模擬乘法器器件完成功能， 可布置任務讓學生采用AD734 完成電路設計。圖4 給出了各點的波形及頻譜。

圖3 乘積型同步檢波器

　　圖4（ a） 為同步檢波產生出的1 kHz 和201 kHz 的信號的頻譜， （ b） 為經低通濾波后恢復出的1 kHz 信號頻譜， （ c） 中由上至下分別為已調信號、未濾波的同步檢波輸出和濾波后的檢波信號波形。

圖4 同步檢測器各測點的波形及頻譜

　　2. 3  調頻信號產生電路

　　調幅信號頻譜是調制信號頻譜的線性搬移， 而調頻信號的頻譜卻是其調制信號頻譜的非線性變換。為了使學生更加直觀地理解調頻信號的波形及頻譜特點，需產生較大頻偏的調頻信號， 而利用變容二極管實現(xiàn)的調頻電路一般難于獲得較大的頻偏， 故采用如圖5 所示的壓控振蕩器來產生調頻信號。

圖5調頻信號的產生電路

　　其中調制信號采用直流電壓偏移量為1 V，振幅為1 V 的1 kHz 低頻信號源， 而壓控振蕩器在控制電壓為0~ 2 V 時， 設置的振蕩信號頻率為15~ 25 kH z, 輸出電壓振幅為1 V。

　　根據設置參數可知， 載波頻率為20 kHz, 頻偏為5 kHz, 調頻指數為mf= 5。根據類貝塞爾函數的特性可知， 當邊頻次數n> mf + 1 時， 恒有J n+ 1 （ mf ）< 0. 1, 因此分析可知此電路產生的調頻信號頻譜的第7 次邊頻幅度小0. 1 V。而由圖6 給出頻譜圖驗證了這一結論的正確性。

圖6  調頻信號波形及頻譜

　　2. 4  鎖相鑒頻電路

　　對于調頻信號的解調可采用的鑒頻電路很多， 例如， 鎖相鑒頻器、互感耦合相位鑒頻器、比例相位鑒頻器、乘積型相位鑒頻器及斜率鑒頻器等。

　　圖7 所示為鎖相鑒頻電路， 電路中鎖相環(huán)的低通濾波器上限截止頻率設定為2 kHz, 鑒相靈敏度為0. 25 V/ rad。圖8 為鎖相鑒頻輸出信號波形， 從中可看出鎖相環(huán)路捕捉鎖定的全過程。

圖7 鎖相鑒頻電路

圖8 鎖相鑒頻輸出波形

　　3  結語

　　基于Mult isim 11 電路仿真軟件設計實現(xiàn)高頻仿真電路， 通過仿真電路的分析和各測點的波形及頻譜的直觀展示， 不僅可以使學生加深對理論內容的理解和掌握， 還可提高學生學習高頻電子線路的學習興趣， 使一些原本對電路設計望而生畏的同學， 開始了從仿真電路入手的電路設計， 為高頻電子線路的理論學習和實踐能力培養(yǎng)搭起了橋梁。