Multisim在模电和数电混合实验案例中的应用

2019-07-12张承畅龚昱文

实验技术与管理 2019年6期

张承畅, 龚昱文, 余洒, 罗元

(重庆邮电大学重庆市电工电子实验教学示范中心, 重庆 400065)

“电子技术基础”是高等学校电子信息类专业的基础核心课程,具有较强的实践性和工程性,对培养学生实践和创新能力有着十分重要的作用[1-2]。高校“电子技术基础”课程分为“模拟电子技术基础”(简称“模电”)和“数字电子技术基础”(简称“数电”)两门课程,课程配套的实验项目也按模电和数电分别开设[3-6],配合理论教学，并以验证和设计性实验为主,缺少模电和数电一体的系统性、综合性实验，直接影响后期教学环节,如课程设计、大学生科研训练计划、毕业设计等的开展,制约学生工程能力达成和创新能力培养。

为此,以学校工程教育专业认证和新工科建设为契机[7-8],围绕电子信息技术专业人才的培养,在专业建设、课程设置等方面持续、深入地进行改革与创新。以学校自动化专业在电子技术课程的改革为例,将原来的数字电路和模拟电路两门课程调整为“模电数电”一门课程,整合模拟电路和数字电路课程内容,加强各部分内容衔接,减少冗余、重复内容,强调系统观念和工程背景。

本文以对电子元器件的认识、单元电路功能与仿真，以及实现模电数电混合电子系统设计为任务,突出实践创新教学,以激发学生学习兴趣、培养学生实验探究能力、提升课程建设和人才培养质量为目标。

1 系统结构

本实验用模块电路和分立元器件设计电子通信领域常用的脉冲调制器,要求学生掌握模电和数电课程的基础知识,借助Multisim仿真软件[9-10]进行电子系统的仿真设计及系统调试,为硬件电路的器件选型、单元电路设计、系统优化实现提供分析和设计参考,实现从单一知识点到系统设计的突破。综合运用到RC正弦波振荡器、555电路、开关三极管等课程知识[11-13],以及电子器件的选型、Multisim模数混合电路仿真、电路的测试等相关知识和方法,强调平时学习与工程实际相结合。

用555定时器、RC正弦波振荡器、开关三极管乘法器设计脉冲调制器电路,产生脉冲调幅信号,使用Multisim软件仿真系统功能。

系统结构如图1所示。

555定时器构成的多谐振荡器(占空比可调)和反相器生成两路相位相反的脉冲信号,RC正弦波振荡器产生中频载波,开关三极管构成的乘法器完成调制功能。

2 各模块电路原理

2.1 载波产生电路

载波产生电路即正弦波电路如图2所示。RC串并联构成选频网络,R1和Rf构成反馈网络,调节Rw可改变反馈系数,从而改变放大电路的电压增益、满足振荡的幅度条件。利用二极管D3和D4的非线性起到稳幅作用,改善输出波形,避免失真。

输出载波的频率为

(1)

图2 RC正弦波电路

2.2 脉冲产生电路

采用555定时器构成的脉冲产生电路见图3。

图3 脉冲产生电路

图3中R1、R2、C1为定时元件,通过C1的充放电使电路产生振荡,输出矩形脉冲,脉冲波形见图4。

图4 脉冲波形

tw1和tw2对应电容C1的充、放电时间,有：

tw1≈0.7R1C1

(2)

tw2≈0.7R2C1

(3)

脉冲周期T和占空比Q分别为：

T=tw1+tw2

(4)

(5)

电阻R1和R2采用可调电阻,通过调节R1和R2的值改变脉冲周期和占空比。

2.3 调制电路

调制电路如图5所示,采用文献[14]提出的YMD乘法器电路,该电路由4个NPN管(Q1、Q2、Q3、Q4)和2个PNP管(Q5、Q6)组成3对射极跟随器。载波加到Q1的基极,脉冲(P+)及其反相信号(P-)分别加到Q4和Q2的基极。

图5 调制电路

调制电路工作原理：当Q2的基极(P-)为高电平时,Q2导通，使A点电位为高电平,屏蔽了Q1基极输入对A点电位的影响;当Q2的基极(P-)为低电平时,Q2截止,A点的电位跟随Q1基极的输入载波变化。由此可得,A点的电位在Q2的基极为高电平时为高电平,在其为低电平时输出载波。同理可得B点的电位在Q4的基极输入(P+)为高电平时为高电平,在其为低电平时为Q3的基极电位即中点电平2.5 V。

当Q6的基极为高电平时,Q6截止,C点电位跟随A点变化;当其为中点电平2.5 V时,Q6导通，使C点的电位稳定在2.5 V。这样就可从C点得到直流电平为2.5 V、峰峰值为5 V的调制信号。再通过一隔直电容C2滤除直流分量后即可得到系统所需的矩形脉冲调幅信号。

各点的工作波形如图6所示。

图6 各点工作波形

3 脉冲调制器仿真

由载波产生电路、脉冲生成电路和调制电路构成脉冲调制器,在Multisim 14中完成波形文件的绘制。给定脉冲频率为260 Hz、占空比为10%,载波的频率为30 kHz,计算各电阻、电容值,完善电路图,如图7所示。

图7 脉冲调制器仿真

采用4通道示波器测试载波、正负脉冲和调制信号,测试波形如图8所示。

4 结语

利用Multisim软件开展实验仿真,软件自带的丰富的元器件、测试仪表,仅需要一台计算机就可完成设计仿真过程,可使学生充分利用非课堂时间完成实验的器件选型、参数设置、功能仿真,为实验课程的实物实验做好准备,为学生的自主学习提供了便利。同时,软件友好的人机界面方便学生根据实验现象随时调整元件参数,对提高学习效率,加深对知识的理解;对教师采用先进的教学手段,如翻转课堂提供了帮助。