Multisim虚拟实验室在“通信电子线路”课程中的教学应用

时 翔

(常州工学院计算机信息工程学院，江苏 常州 213002)

“通信电子线路”课程是通信工程专业的一门重要课程，传统的教学手段是通过教师讲解，教授学生理性知识后，再让学生进入实验室，进行实践动手验证与探讨，以获得理论与实践的统一。这种方法在实际教学中，由于缺乏理性与感性认识之间的必要衔接，许多学生在进入实验室时，对实验器材、目的和操作认识不清，对实验结果未能准确预知，实验辅助教学实践达不到预期效果。将EDA工具Multisim软件引入“通信电子线路”课程的教学，能够使学生在获得书本上的理性知识后，及时通过虚拟实验室环境巩固和熟悉原理，选择元件、设计电路、计算与调整参数以及观测仿真结果，及时获得感性认识。［1－2］在此基础上，学生进入现实实验室后，既不会对实验器材和电路感到陌生，也不会对实验目的、操作和结果未有预知，增强了学生的学习兴趣，提高了转化知识的效率。

1 Multisim特征

Multisim是一种交互式电路仿真和分析软件，主要具有以下功能:为课堂教学提供虚拟实验室环境;使学生熟悉仪器和元器件的使用;其易用性使学生能够将精力集中在电路的理解与学习上;能够更为有效地排除教学故障。该软件易于使用，其中的仪器和元器件与实际器件极为相似。利用Multisim建立通信电子线路的虚拟实验室，学生通过虚拟仪器可以理解实际操作过程，不必顾虑元器件和仪器的损坏，节省了时间和成本，为真实环境下的实验操作打下了基础。［3－7］

2 虚拟实验室架构

“通信电子线路”是电路分析、模拟电子线路等的后续课程，是通信工程和电子信息类专业的一门专业技术基础课程，理论性与实践性极强。课程研究的主要内容是由无线通信系统的基本原理与基本电路组成，使学生了解通信系统的功能和应用，掌握通信电路中各个功能模块的工作原理与分析方法，初步具备通信系统分析与设计的能力。

在通信电子线路虚拟实验室的架构中(如图1所示)，从系统的角度充分考虑，将其分为通信发射机和接收机两大功能模块，并分别在通信发射机模块中建立正弦波振荡器、调制器、高频功率放大器功能子模块，在通信接收机模块中建立高频小信号放大器、混频器、本地振荡器、检波器功能子模块，各功能子模块兼有多种电路实现形式(可选、可调)。根据教学内容和需求，学生逐步从功能子模块的学习过渡到发射/接收功能模块的学习，并最终建立通信电子线路的系统概念。

图1 通信系统发射机/接收机模块及其功能子模块

3 Multisim实践应用

在课程中应用 Multisim软件的辅助教学步骤如图2所示。学生在完成理论学习后，在教师的引导下，进入Multisim虚拟实验室，首先进行功能子模块的功能验证试验，通过固定参数电路的仿真与观测，完善对理论的理解;随后改变功能子模块的电路参数，通过仿真与观测，进行深入的理论学习和探讨。［2］

在通信电子电路课程中，按发射到接收的因果顺序，分别以正弦波振荡器、调制器、高频功率放大器、高频小信号放大器、混频器、检波器6个功能子模块为例，阐述Multisim对各功能电路工作原理的理论分析、功能验证和探讨。［3－7］

3.1 正弦波振荡器

图2 Multisim虚拟实验室辅助实践教学流程

以电感三点式振荡器为例，其电路图如图3(a)所示，其反馈信号取自电感两端，由于互感的作用，振荡器很容易起振，且频率调整方便，只需调整振荡电容就可得到线性的振荡频率，但由于电感对高频分量的高阻抗，使振荡器输出的谐波成分多，波形不好。另外，由于电感L1、L2分别与管子的结电容并联，构成并联谐振回路，当振荡频率过高时，将产生容性失谐，输出的波形如图3(b)所示。

图3电感三点式振荡器

3.2 调制器

以基极调幅电路为例，其电路如图4(a)所示，基极调幅电路的调制信号和载波信号均加在基极回路，直流偏压和电阻确保三极管在非线性区工作，负载由LC并联谐振电路组成，谐振频率等于载波频率。用示波器观察输出电压波形，如图4(b)所示，可以体会理论分析的结果，并根据示波器的刻度算出调制系数。随后，学生可以改变载波信号和调制信号的幅度的比例，即改变振幅调制系数，观察不同ma时的输出波形，进行进一步探讨。

图4 基极调幅调制器

3.3 高频功率放大器

高频功率放大器通常用在发射机末级功率放大器和末前级功率放大器中，主要对高频信号的功率进行放大，使其达到发射功率的要求。一个典型的高频功率放大器电路如图5(a)所示，其电路特点是:晶体管工作在丙类，负载为并联谐振回路，调谐在输入信号的频率上，起滤波和阻抗匹配的作用。

图5 高频功率放大器

学生在完成功能验证后，可以改变输入信号和谐振负载，瞬态可见集电极电流为一串尖脉冲，进行进一步探讨与思考。(由于示波器只能观察到电压波形，因此，减小负载电阻，通过观察电阻上电压显示电流情况。)

3.4 高频小信号放大器

高频小信号放大电路主要由晶体管、负载、输入信号和馈电电路等部分组成。以图6(a)所示电路为例，晶体管基极为正偏，工作在甲类，负载为LC并联谐振电路，调谐在输入信号的频率上，该电路能够对输入的高频信号进行放大。从示波器中观察到相关波形如图6(b)所示。由图形可见，高频小信号谐振放大电路的输入信号和输出信号反相，且输出信号比输入信号的幅度大许多。

如图6(c)所示，通过波特仪可方便地观察到该放大器的选频特性和通频带。

图6 高频小信号放大器

3.5 混频器

用乘法器实现的混频电路如图7(a)所示，图中L1、C1、R2构成中频滤波器，谐振频率为60 kHz。模拟乘法器对AM 信号与160 kHz的本振信号进行差频，通过滤波器将差频信号输出(图中调幅信号取ma为0.8)

图7 混频器

3.6 检波器电路

包络检波器只能解调已调信号包络随调制信号规律变化的普通调幅波，而DSB和SSB信号的包络不直接反映调制信号的变化规律，只能用同步解调的办法解调。图8(a)所示为用乘法器实现的同步检波电路。电路中第1个乘法器用来实现DSB信号，该信号作为第2个乘法器的输入信号，与插入载频(与载频同频同相)相乘。然后经低通滤波器输出，即可得解调信号，如图8(b)所示。

图8 同步检波器

4 结语

利用Multisim软件，建立“通信电子线路”课程的虚拟实验室，实现了理论与实践的良好过渡与结合，使学生的学习遵循从理论到建模、从仿真到动手的获取及探讨知识的科学过程，从而使教学流程更加合理和完整。学生直观地看到电路的构成、信号的产生和变化，发现问题、解决问题，有助于对教学内容的理解，还可促进学生动手能力和创新意识的提高，有利于学生综合素质的培养。未来的教学改革中，一方面将继续完善Multisim虚拟实验室，突出其功能性与交互性，一方面更加突出主体，促进学生利用实验室进行课程设计、课外科技发明与创新。

［1］周凯.EWB虚拟电子实验室［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［2］W H Tranter，K S Shanmugan，T S Rappaport，et al.通信系统仿真原理与无线应用［M］.肖明波，杨光松，许芳，等，译.北京:机械工业出版社，2005:6.

［3］侯丽敏，闫健.“通信电子线路”课程中集成电路的仿真与教学［J］.电气电子教学学报，2010(2):79－81.

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［7］辛修芳，史会.基于Multisim高频电子线路虚拟实验室的探讨［J］.商丘师范学院学报，2010(12):123－136.