Multisim仿真软件在高频电子线路教学中的应用与探讨

苗倩余等

摘 要： 高频电子线路课程教学存在抽象、枯燥、学生参与的积极性不高的问题。对现有的教学现状进行改革，把Multisim仿真软件引入高频电子线路教学，列举了单失谐鉴频电路仿真实例，通过不断改变电路元件参数，并进行对比分析感性失谐和容性失谐波形的特点，以及二极管包络检波器正常检波情况、惰性失真现象。通过仿真实验，可以生动直观地展现仿真结果，增强学生的感性认识，加深学生对概念和原理的理解。实践证明，这种教学方法有利于调动学生的学习积极性和主动性，明显改善了教学效果。

关键词： Multisim； 高频电子线路； 单失谐振幅鉴频电路； 教学方法探讨

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0127?03

Application of Multisim in high?frequency electronic circuit teaching

MIAO Qian， YU Zhi?yong， HOU Hong?qing， LI Yan?ling， ZHANG Hui， JIANG Qin?bo， XU Hui

（The Second Artillery Engineering University， Xian 710025， China）

Abstract： In view of the problems existing in the teaching of “High?frequency Electronic Circuit”， such as abstract， boring， and low participation enthusiasm of students， the traditional teaching was reformed and the Multisim simulation software was introduced into the teaching of “High?frequency Electronic Circuit”. The simulation examples for single detuning amplitude discriminator circuit were enumerated. Through continuous change of circuit component parameters， the characteristics of detuning waveforms， normal detection of diode envelope detector and inert distortion phenomenon were compared and analysed. The simulation experiments show the simulation results can be revealed intuitively and vividly， which can enhance perceptual knowledge of the students， and deepen understanding of students for the circuit concepts and principles. It is proven through practice that the teaching method is helpful for mobilizing the initiative learning enthusiasm of the students and can improve the teaching effect obviously.

0 引 言

高频电子线路是通信工程、电子工程专业一门必修的工程技术基础课程，理论性、实践性、工程性较强。传统的教学更多注重理论知识的讲解，学生很难掌握。为了提高高频电子线路的教学质量，改善教学效果，提高学生的分析和解决问题的能力，有必要将电路仿真软件引入课堂。Multisim 软件具有丰富的仿真分析能力，可以设计、测试和演示各种电子电路，为电子线路设计人员在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析等创设了良好的平台[1]。

本文以单失谐振幅鉴频电路为例，阐述了Multisim仿真软件在高频电子线路课程中的应用，把抽象的问题通过仿真简单化、形象化，使学生更容易接受。

1 单失谐振幅鉴频器工作原理

振幅鉴频器的基本原理是把等幅调频波通过频率?幅度线性变换网络，变换成振幅与频率都随调制信号而变化的[FM-AM]波，然后通过包络检波器根据[FM-AM]波的包络变化，还原出原调制信号。它的电路模型如图1所示。

最简单的振幅鉴频器是单失谐回路振幅鉴频器，原理电路和波形如图2所示。电路中的频率?幅度变换器就是[LC]并联谐振回路。

图1 振幅鉴频电路模型

图2 原理电路和波形图

如果把并联谐振回路的谐振频率[fp]选得高于[FM]波的载波频率[fo]时，对[FM]信号而言，将工作在并联谐振回路的感性失谐区。工作在感性失谐区的并联谐振回路，其幅频特性曲线有一段以载频[fo]为中心的倾斜区，如图3所示。

图3 幅频特性曲线

当FM波的电流流过回路时，由于对不同的瞬时频率，回路失谐阻抗大小不同，因此LC回路的端电压是一调频?调幅波，其振幅uFM?AM将随FM波的瞬时频偏[Δf（t）]而变化。当[f（t）>fo]时，回路失谐小，回路输出电压振幅uFM?AM大；当[f（t）

2 单失谐振幅鉴频电路实现

图4是单失谐振幅鉴频电路。V1是幅值为6 V，中心频率为1.2 kHz，调制信号频率为100 Hz的输入调频波。[L1]和[C1]组成并联谐振回路，实现频率到幅度的线性变化。VD，[R]和[C]组成二极管峰值包络检波器，完成对FM?AM波的检波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用来观察输入等幅调频波和谐振回路输出FM?AM波的波形，XSC2用来观察FM?AM波和二极管包络检波输出的波形。

图4 单失谐振幅鉴频电路

3 单失谐振幅鉴频电路仿真分析

3.1 频率?幅度变换分析

要实现频率?幅度的变换，[L1]，[C1]组成的谐振回路应处于失谐状态，那么就要求谐振回路的谐振频率小于或者大于输入调频波的中心频率1.2 kHz。

（1） 感性失谐分析

当[L1]=102 μF，[C1]=98 μF时，并联谐振回路谐振频率为1.59 kHz，大于输入调频波的中心频率，谐振回路感性失谐，调频波经过并联谐振回路输出为FM?AM波，在示波器XSC1可以观察到FM?AM波形如图5所示，上面波形是输入调频波，下面波形是经调频?幅度变换的FM?AM波，实现了频率到幅度的线性变换。

（2） 容性失谐分析

当[L1]=200 μF，[C1]=230 μF时，并联谐振回路谐振频率为0.74 kHz，小于输入调频波的中心频率，谐振回路容性失谐，调频波经过并联谐振回路输出为FM?AM波，在示波器XSC1可以观察到FM?AM波形如图6所示，上面波形是输入调频波，下面波形是经调频?调幅变换的FM?AM波，实现了频率到幅度的线性变换。

图5 输入调频波和感性失谐输出波形

图6 输入调频波和容性失谐输出波形

3.2 包络检波输出

以感性失谐为例，当[R]=10 kΩ，[C]=50 nF时，在示波器XSC2观察二极管包络检波器输出波形如图7所示。当[R]=10 kΩ，[C]=100 nF时，检波器输出波形如图8所示。

图7 C=50 nF时检波输出波形

图8 C=100 nF时检波输出波形

从图7和图8波形的输出可以看出，此时电路虽然都能够检波出FM?AM的包络信号，但随着逐步增加[C]的值时，输出信号的高频波纹变小，更加接近光滑曲线。继续增大[C]的值，设[C]为600 nF，900 nF，检波器输出波形如图9和图10所示，可以看出，当逐步增加[C]时，二极管包络检波器产生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明显。对比分析见表1（R=10 kΩ）。

表1 包络检波器仿真输出对比表

通过仿真结果可以看出：

（1） 谐振回路在感性失谐和容性失谐时输出的FM?AM波波形的异同，虽然都实现了频率到幅度的变化，但是谐振回路感性失谐时，FM?AM波的幅值变化和频率变化一致，即频率高，幅值大；频率低，幅值小；容性失谐时，FM?AM波的幅值变化和频率变化不一致，即频率高，幅值小；频率低，幅值大。

（2） 利用二极管的单向导电特性和检波负载[C]的充放电过程实现检波，所以[C]的选择很重要。[C]过大，则会产生惰性失真。[C]太小，高频波纹大。

图9 C=600 nF时检波输出波形

图10 C=900 nF时检波输出波形

4 结 论

传统教学在讲解利用谐振回路的感性失谐、容性失谐特性实现频率到幅度的变换输出的波形和二极管包络检波正常检波和惰性失真输出波形特点时，给学生的直观印象不深。而通过将Multisim仿真软件引入课程教学，可以很形象地表达出波形的特点，丰富了教学内容，学生的信心得到提高，加深了对理论知识的理解吸收，教学效果明显改善。

参考文献

[1] 王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim 10仿真分析[J].现代电子技术，2011，34（18）：172?174.

[2] 朱高中.基于Multisim仿真软件在高频实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2012，29（11）：106?108.

[3] 朱华光.Multisim 10在模拟电路实验中的应用及研究[J].现代电子技术，2009，32（15）：92?96.

[4] 孙会丽.电路的分析方法[J].电子科技，2013，26（4）：162?164.

[5] 黄扬帆，甘平，刘晓，等.高频电路实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索，2011，30（7）：285?287.

[6] 张肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7] 周天宏.高频电子电路实脸设计经脸与技巧[J].自动化与仪器仪表，2013（3）：177?180.

[8] 朱高中.基于Multisim的高频谐振功率放大器仿真实验[J].实验室研究与探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艳香，朱根生，刘志盼，等.基于Multisim高频电子线路实验平台设计的探讨[J].实验室科学，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation

2 单失谐振幅鉴频电路实现

图4是单失谐振幅鉴频电路。V1是幅值为6 V，中心频率为1.2 kHz，调制信号频率为100 Hz的输入调频波。[L1]和[C1]组成并联谐振回路，实现频率到幅度的线性变化。VD，[R]和[C]组成二极管峰值包络检波器，完成对FM?AM波的检波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用来观察输入等幅调频波和谐振回路输出FM?AM波的波形，XSC2用来观察FM?AM波和二极管包络检波输出的波形。

图4 单失谐振幅鉴频电路

3 单失谐振幅鉴频电路仿真分析

3.1 频率?幅度变换分析

要实现频率?幅度的变换，[L1]，[C1]组成的谐振回路应处于失谐状态，那么就要求谐振回路的谐振频率小于或者大于输入调频波的中心频率1.2 kHz。

（1） 感性失谐分析

当[L1]=102 μF，[C1]=98 μF时，并联谐振回路谐振频率为1.59 kHz，大于输入调频波的中心频率，谐振回路感性失谐，调频波经过并联谐振回路输出为FM?AM波，在示波器XSC1可以观察到FM?AM波形如图5所示，上面波形是输入调频波，下面波形是经调频?幅度变换的FM?AM波，实现了频率到幅度的线性变换。

（2） 容性失谐分析

当[L1]=200 μF，[C1]=230 μF时，并联谐振回路谐振频率为0.74 kHz，小于输入调频波的中心频率，谐振回路容性失谐，调频波经过并联谐振回路输出为FM?AM波，在示波器XSC1可以观察到FM?AM波形如图6所示，上面波形是输入调频波，下面波形是经调频?调幅变换的FM?AM波，实现了频率到幅度的线性变换。

图5 输入调频波和感性失谐输出波形

图6 输入调频波和容性失谐输出波形

3.2 包络检波输出

以感性失谐为例，当[R]=10 kΩ，[C]=50 nF时，在示波器XSC2观察二极管包络检波器输出波形如图7所示。当[R]=10 kΩ，[C]=100 nF时，检波器输出波形如图8所示。

图7 C=50 nF时检波输出波形

图8 C=100 nF时检波输出波形

从图7和图8波形的输出可以看出，此时电路虽然都能够检波出FM?AM的包络信号，但随着逐步增加[C]的值时，输出信号的高频波纹变小，更加接近光滑曲线。继续增大[C]的值，设[C]为600 nF，900 nF，检波器输出波形如图9和图10所示，可以看出，当逐步增加[C]时，二极管包络检波器产生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明显。对比分析见表1（R=10 kΩ）。

表1 包络检波器仿真输出对比表

通过仿真结果可以看出：

（1） 谐振回路在感性失谐和容性失谐时输出的FM?AM波波形的异同，虽然都实现了频率到幅度的变化，但是谐振回路感性失谐时，FM?AM波的幅值变化和频率变化一致，即频率高，幅值大；频率低，幅值小；容性失谐时，FM?AM波的幅值变化和频率变化不一致，即频率高，幅值小；频率低，幅值大。

（2） 利用二极管的单向导电特性和检波负载[C]的充放电过程实现检波，所以[C]的选择很重要。[C]过大，则会产生惰性失真。[C]太小，高频波纹大。

图9 C=600 nF时检波输出波形

图10 C=900 nF时检波输出波形

4 结 论

传统教学在讲解利用谐振回路的感性失谐、容性失谐特性实现频率到幅度的变换输出的波形和二极管包络检波正常检波和惰性失真输出波形特点时，给学生的直观印象不深。而通过将Multisim仿真软件引入课程教学，可以很形象地表达出波形的特点，丰富了教学内容，学生的信心得到提高，加深了对理论知识的理解吸收，教学效果明显改善。

参考文献

[1] 王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim 10仿真分析[J].现代电子技术，2011，34（18）：172?174.

[2] 朱高中.基于Multisim仿真软件在高频实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2012，29（11）：106?108.

[3] 朱华光.Multisim 10在模拟电路实验中的应用及研究[J].现代电子技术，2009，32（15）：92?96.

[4] 孙会丽.电路的分析方法[J].电子科技，2013，26（4）：162?164.

[5] 黄扬帆，甘平，刘晓，等.高频电路实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索，2011，30（7）：285?287.

[6] 张肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7] 周天宏.高频电子电路实脸设计经脸与技巧[J].自动化与仪器仪表，2013（3）：177?180.

[8] 朱高中.基于Multisim的高频谐振功率放大器仿真实验[J].实验室研究与探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艳香，朱根生，刘志盼，等.基于Multisim高频电子线路实验平台设计的探讨[J].实验室科学，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation

2 单失谐振幅鉴频电路实现

图4是单失谐振幅鉴频电路。V1是幅值为6 V，中心频率为1.2 kHz，调制信号频率为100 Hz的输入调频波。[L1]和[C1]组成并联谐振回路，实现频率到幅度的线性变化。VD，[R]和[C]组成二极管峰值包络检波器，完成对FM?AM波的检波。XSC1和XSC2是示波器，其中XSC1用来观察输入等幅调频波和谐振回路输出FM?AM波的波形，XSC2用来观察FM?AM波和二极管包络检波输出的波形。

图4 单失谐振幅鉴频电路

3 单失谐振幅鉴频电路仿真分析

3.1 频率?幅度变换分析

要实现频率?幅度的变换，[L1]，[C1]组成的谐振回路应处于失谐状态，那么就要求谐振回路的谐振频率小于或者大于输入调频波的中心频率1.2 kHz。

（1） 感性失谐分析

当[L1]=102 μF，[C1]=98 μF时，并联谐振回路谐振频率为1.59 kHz，大于输入调频波的中心频率，谐振回路感性失谐，调频波经过并联谐振回路输出为FM?AM波，在示波器XSC1可以观察到FM?AM波形如图5所示，上面波形是输入调频波，下面波形是经调频?幅度变换的FM?AM波，实现了频率到幅度的线性变换。

（2） 容性失谐分析

当[L1]=200 μF，[C1]=230 μF时，并联谐振回路谐振频率为0.74 kHz，小于输入调频波的中心频率，谐振回路容性失谐，调频波经过并联谐振回路输出为FM?AM波，在示波器XSC1可以观察到FM?AM波形如图6所示，上面波形是输入调频波，下面波形是经调频?调幅变换的FM?AM波，实现了频率到幅度的线性变换。

图5 输入调频波和感性失谐输出波形

图6 输入调频波和容性失谐输出波形

3.2 包络检波输出

以感性失谐为例，当[R]=10 kΩ，[C]=50 nF时，在示波器XSC2观察二极管包络检波器输出波形如图7所示。当[R]=10 kΩ，[C]=100 nF时，检波器输出波形如图8所示。

图7 C=50 nF时检波输出波形

图8 C=100 nF时检波输出波形

从图7和图8波形的输出可以看出，此时电路虽然都能够检波出FM?AM的包络信号，但随着逐步增加[C]的值时，输出信号的高频波纹变小，更加接近光滑曲线。继续增大[C]的值，设[C]为600 nF，900 nF，检波器输出波形如图9和图10所示，可以看出，当逐步增加[C]时，二极管包络检波器产生惰性失真。[C]增大的越大，惰性失真越明显。对比分析见表1（R=10 kΩ）。

表1 包络检波器仿真输出对比表

通过仿真结果可以看出：

（1） 谐振回路在感性失谐和容性失谐时输出的FM?AM波波形的异同，虽然都实现了频率到幅度的变化，但是谐振回路感性失谐时，FM?AM波的幅值变化和频率变化一致，即频率高，幅值大；频率低，幅值小；容性失谐时，FM?AM波的幅值变化和频率变化不一致，即频率高，幅值小；频率低，幅值大。

（2） 利用二极管的单向导电特性和检波负载[C]的充放电过程实现检波，所以[C]的选择很重要。[C]过大，则会产生惰性失真。[C]太小，高频波纹大。

图9 C=600 nF时检波输出波形

图10 C=900 nF时检波输出波形

4 结 论

传统教学在讲解利用谐振回路的感性失谐、容性失谐特性实现频率到幅度的变换输出的波形和二极管包络检波正常检波和惰性失真输出波形特点时，给学生的直观印象不深。而通过将Multisim仿真软件引入课程教学，可以很形象地表达出波形的特点，丰富了教学内容，学生的信心得到提高，加深了对理论知识的理解吸收，教学效果明显改善。

参考文献

[1] 王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim 10仿真分析[J].现代电子技术，2011，34（18）：172?174.

[2] 朱高中.基于Multisim仿真软件在高频实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2012，29（11）：106?108.

[3] 朱华光.Multisim 10在模拟电路实验中的应用及研究[J].现代电子技术，2009，32（15）：92?96.

[4] 孙会丽.电路的分析方法[J].电子科技，2013，26（4）：162?164.

[5] 黄扬帆，甘平，刘晓，等.高频电路实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索，2011，30（7）：285?287.

[6] 张肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7] 周天宏.高频电子电路实脸设计经脸与技巧[J].自动化与仪器仪表，2013（3）：177?180.

[8] 朱高中.基于Multisim的高频谐振功率放大器仿真实验[J].实验室研究与探索，2013，32（2）：92?94.

[9] 耿艳香，朱根生，刘志盼，等.基于Multisim高频电子线路实验平台设计的探讨[J].实验室科学，2012，15（3）：117?119.

Keywords： Multisim； high?frequency electronic circuit； single detuning amplitude discriminator circuit； teaching method investigation