高频电子技术虚拟仿真实验系统设计与实现

徐金荣，郭彩萍

（太原工业学院电子工程系，山西太原 030008）

高频电子技术是电子信息工程的基础课程之一，旨在培养具有扎实的通信电子电路专业理论知识、实践能力和工程设计能力的学生。以电路分析基础、模拟电子线路和信号与系统等课程为基础，为学习通信理论、移动通信技术、射频电路设计等后续课程奠定基础。该课程属于非线性电路的范畴，电路从线性到非线性，在电子电路课程中被看作是“最实用、最难教与学”的课程。然而由于课堂上教学时间相对较少，并且课堂上学生人数较多，课程内容略微晦涩难懂，在如此有限的时间内很难取得预期的教学效果。如何在有限的时间内使用不同的方法让学生加深对课堂内容的理解和最大限度地培养学生独立分析相关问题的能力是值得探讨和研究的一项课题[1]。

高频电子技术实验室在每个理工类大学都是必不可少的，传统的高频电子实验室不仅占地面积大，且功能比较固定，实验项目过于单一，更换设备需要的资金比较庞大，并且实验器材容易滞后无法紧跟时代，在实验过程中和后期维护时也会消耗大量资金[2]。以上弊端在一些经费紧张的学院在修建此类实验室时尤其突出。随着计算机科学与技术的发展，不仅在计算机上实行软件仿真代替一些设备某些功能的能力愈发成熟，同时也可以帮助经费不足的学校在计算机网络技术的支持下让学生利用学校建设的虚拟实验室进行模拟仿真实验，来弥补缺少或设备老旧实验室的不足。利用优秀的EWB、MATLAB、Multisim 等计算机辅助软件系统，教师和学生可以设计和模拟高频电子电路。仿真电路、模拟波形、参数设置和结果实时显示，从而把抽象的技术难点的具体内容可视化，把复杂繁琐的实际问题简单化，显著增强了教学效果[3]。因此，高频电子技术的仿真设计系统对于学生去理解和掌握这门课起到了至关重要的作用，设计一个简捷有效、易于操作的高频电子技术虚拟仿真系统是需要着重解决的关键问题[4]。

1 仿真系统的设计框架

实验系统采用MATLAB 的App Designer 技术进行图形界面的开发，界面设计的接口不需要手动设计，可以直接通过组件属性窗口进行修改，并且程序也可以自动修改，大大提高了开发的效率。

1.1 App Designer技术

以MATLAB2019a为例介绍使用方法：

（1）首先打开MATLAB，并打开App Designer 设计工具，或者在命令行输App Designer。

（2）进入App Designer设计界面，界面比较简洁，左侧是常用的功能区域，右侧是代码目录行，中间是设计区域，在设计区域可以切换到代码视图。

（3）可以直接从左侧界面拖动想要的功能模块，进入设计区，然后在模块属性区域进行编辑属性，相应的基本代码会自动更新，开发者只需要关注回调函数的内容编辑即可。

（4）完成设计后，直接点击运行，即可进行在线调试，可实时看到设计的App 效果，App Designer 的App可视化效果相较于GUI有了很大的提升。

1.2 虚拟实验系统的内容

根据高频电子技术教学大纲要求，利用App Designer 设计一套关于高频电子技术课程的虚拟实验系统。该实验系统包括高频小信号放大器、高频功率放大器、Hartley振荡器、Colpitts振荡器、Clapp振荡器、Seiler振荡器、AM 调幅及解调、DSB 调幅及解调、SSB调幅及解调、模拟乘法混频、调频及鉴频、调相及鉴相共11 部分的内容，涵盖了高频电子技术课程的主要内容。实验系统从原理电路、参数设置、波形输出等角度展示内容的基本原理，分析方法及性能指标、波形变化，全方位、多角度地帮助人们学习高频电子技术的课程，帮助掌握模拟通信系统的基本单元电路的组成、基本工作原理及基本分析电路方法。培养学生具有一定工程实践的分析及解决问题的能力。

1.3 登录及注册界面

采用MATLAB软件实现高频电子技术虚拟仿真实验平台。该平台需要完成注册界面、登录界面、每个实验项目的仿真界面等内容。以如何实现注册登录界面为例介绍，图1为注册登记界面的流程图。为了安全及保密性等要求，系统需使用账号登录，登录成功，系统则跳转仿真系统的主界面，进入主界面。

图1 注册及登记界面的流程图

在制作登录界面时需要用到数值框、文本框及按钮。首先在MATLAB 软件中打开App designer，页面左侧是常用的功能区域，右侧是代码目录行，中间是设计区域。登录界面主要功能是验证账户密码的正确性，如没有账户，系统会提醒你：“如没有账号请注册账号”，此时可以点击注册按钮进行注册。在注册界面，实现账号和密码的注册，并将账号密码保存到数据库，用于登录时比对账户密码是否正确。

2 仿真系统的实现

账户密码验证通过之后就进入到系统的主界面，该系统的仿真主界面包括12个实验项目，分别为高频小信号调谐放大器、非线性丙类功率放大器、Hartley 振荡器、Colpitts 振荡器、Clapp 振荡器、Seiler振荡器、AM、DSB 和SSB 调幅及解调、混频、调频及鉴频、调相及鉴相。实验项目涵盖了课程的主要教学内容，符合教学大纲要求。根据需求进入到对应的实验项目进行仿真。每个实验项目实现参数动态设置和修改，以图形化和数据显示实验结果，直观反映参数改变对电路功能的影响。

2.1 AM调幅及解调实验

整个实验系统包括12项实验内容，以AM调幅为例，要实现AM调幅信号，首先要设计调幅电路，可以采用高电平调幅和低电平调幅两种方法。高电平调幅方法主要借助丙类功率放大器来实现AM信号，既实现功率放大，又实现幅度调制功能，而低电平调幅借助乘法器实现。通过电路设置合适的调幅系数，输入信号包括载波、调制信，参数需要3个数值框。一个图片框用于展示AM 调幅及解调电路，7 个显示波形的坐标区用于展示输入输出信号及对应的频谱，还需要相关按键用于后台功能链接。最终实现效果如图2，为了便于观察，该实验预设载波参数2 000 Hz，调制信号频率200 Hz，调幅系数0.5，得到调幅信号的输出波形，通过波形可以得到输出的波形的包络和调制信号成线性比例关系。同时还可以观测输入输出信号的频谱，发现调幅信号实现了频谱的线性搬移，将调制信号搬到载波两侧，频谱的结构没有发生变化。当然可是实时修改载波的频率及调制信号的波形和调幅系数，达到实时显示波形的效果。AM 信号的解调通过后台代码的控制实现，解调结果通过解调信号波形展示，通过分析，刚开始解调波形有一定失真，经过一段时间稳定，可以测得信号的频率也是200 Hz。

图2 AM调幅及解调实验

2.2 FM调幅及解调实验

FM 调幅有直接调频和间接调频两种方法实现，间接调频借助调相电路来间接实现调频。两种方法要求调频信号的瞬时角频率和调制信号呈线性关系。该实验要探讨瞬时频率、附加相位、输出的调频波及解调出来的信号，设计界面需要7个坐标轴来分别展示需要观察的信号波形，同时还需要设置参数，实时更改参数来动态显示仿真结果，需要3个数值框，还需要一个图片框展示调频信号的原理电路，根据调频电路进行参数设置得到相应的仿真结果。如图3，经过调频之后，信号的瞬时角频率和调制信号呈线性关系，因相位和频率相互满足积分和微分关系，附加相位和积分后的调制信号呈线性关系。从调频波的波形可以看到，调制信号的振幅大时，瞬时频率大，波形显得密集，而调制信号的振幅小时，瞬时频率小，波形显得稀疏。满足调频信号的原理。

图3 FM调幅及解调实验

上述阐述了AM 和FM 的调制和解调如何实现及输入输出波形等功能展示，对于该系统的其余十个实验项目不再赘述。该系统不仅实现每个实验内容的常规性验证功能，而且每个实验项目实现电路参数动态设置和修改，以图形化实时显示实验结果，直观反映参数改变对电路功能的影响，每个实验具有学生自主创建器件库的功能，允许学生自行搭建电路的功能，开展设计性、综合性实验，加强学生创新，激励学生更有兴趣去探索课程[5]。

3 总结

对虚拟仿真背景研究和意义进行深入研究，实现了一种高频电子技术模拟试验仿真平台的设计。平台还包含了注册及登录界面、实验项目选择界面和各仿真实验界面等功能，该系统可以对电路参数进行设定与调整，实时图形化展示实验成果，直观体现参数变化对仿真成果的影响。系统包含了高频电子技术课程中所学到的大部分电路，实验项目可以基本保证学生进行高频电子技术中仿真，以生动、直观的方式来对已学到的知识进行理解和验证。当然，系统还有一些需要改进的方面。首先，对该系统的实验内容和页面布局进行优化，让系统更加完善。其次，系统是基于MATLAB 进行开发并且封装成一个桌面应用，下一步可以尝试使用Java 软件进行开发，便于仿真系统进行联网使用。

虚拟仿真技术也是新时代科技革命的产物对很多方面都有重要的意义[6]：比如在科研工作，或者与科技相关的生产中，如果可以充分利用虚拟技术，可以减少大部分的硬件资源浪费，也可以在实施某种设计方案之前多次用虚拟技术进行测试，来检测设计方案的可行性，运行时产生的数据也可以给工程师更好的参考，在避免资源浪费的同时，也可以省出一笔不小的经费用于其他投资。