基于Multisim的电子技术实验教学的探索和实践

郭秀娥, 李光明, 吴冬梅

(①曲阜师范大学网络空间安全学院,273165,山东省曲阜市;②河北科技工程职业技术大学,054000,河北省邢台市; ③曲阜师范大学学报编辑部,273165,山东省曲阜市)

0 引 言

在学校工程教育专业认证背景下,各工科专业不断进行学科整合与改革. 物联网工程专业将模拟电子技术和数字电子技术合并为电子技术基础课程,在课程内容上进行了优化,减去冗余和重复部分,更注重系统设计和工程应用背景[1]. 在课程学时分配上,将过去的2门课程学时整合为54学时(理论)+18学时(实验),更注重实践学时的分配. 虽然,在课程改革上做了很大努力,取得了一定的效果,但是在实验教学过程中,依旧采取和过去相同的教学模式,将课程实验分为模电实验和数电实验分别进行,并以验证型和设计型实验为主,导致学生难以理解以数电和模电为一体的课程实验的系统性和综合性,直接影响学生后期课程的学习和实践创新能力以及工程应用能力的培养.

针对上述问题,笔者结合实际教学经验,设计了一项模电数电一体化的系统性、综合性实验项目,并以Multisim仿真软件为平台对实验项目进行了分析和验证.

1 系统设计

电子通信领域常见的电路调制方法有3种:调幅、调频和调相. 本文选用难度适中的调频电路来设计模电数电一体化实验项目. 为紧贴课程重点理论基础知识,本项目采用555振荡器产生占空比可调的方波基带信号;选用4066选通器和LM324组成加法器实现数字调频. 实验项目综合运用RC正弦波振荡器、模拟开关电路以及电压比较器等课程知识,并使用Multisim软件仿真测试系统功能.

系统框图如图1所示. 调制电路为键控法,即将输入基带信号s(t)通过反相器分别送到不同的选通电路,当选通开关1有“1”输入时,选择f1振荡器产生的载波信号输出,得到一路ASK信号;当选通开关2有“1”输入时,选择f2振荡器产生的载波信号输出,得到一路ASK信号,两路ASK信号再通过加法器电路相加得到2FSK信号. 其中载波信号电路由RC文式桥产生两路不同频率的载波,基带方波信号可以采用555定时器或者集成芯片CD4046组成方波发生器生成.

图1 FSK调制模型

2 模块电路原理与仿真

Multisim是美国国家仪器(NI)推出的电路仿真软件,该软件一方面人机交互界面友好,学生容易入门,满足学生自主学习的要求;另一方面,电路设计方便直观,不仅可以测试芯片的逻辑功能,而且在测试过程中,学生可以根据理论知识进行元件参数的调整. 因此,在完成实验设计后,选择通过Multisim仿真软件平台对实验项目进行测试和调试.

2.1 载波产生电路

采用模电课程学习过的RC正弦波振荡器产生,如图2所示. 上下以具有集成运放功能的RC桥式正弦振荡电路作为放大部分;以R3、R4、R5构成深度电压串联负反馈支路,R2、C2、R1、C1构成的串并联网络为选频网络和正反馈网络支路. 电路起振条件为

图2 RC正弦波振荡器及仿真结果

R4+R5>2R3,

(1)

输出的正弦波频率为

(2)

各器件的取值可根据频率需要进行调节. 例如,对于f1=32 kHz的载波信号,经过计算可知,各器件的量值约为R1=R2=9 kΩ,C1=C2=0.5 nF.

2.2 基带信号发生器电路

系统框图中所需的数字基带信号采用数电课程学过的555占空比可调振荡器实现.

图3 占空比可调555方波产生电路

图4 仿真波形

输出方波高电平对应电容的充电时长

T1=0.7R3C1,

(3)

输出方波低电平对应电容的放电时长

T2=0.7R1C1,

(4)

脉冲周期T和占空比分别为

T=T1+T2,

(5)

Q=R3/(R3+R1).

(6)

设计过程中,将电阻R1和R3设置为可调电阻,则通过调节R1和R3阻值可以改变脉冲信号的周期和占空比.

2.3 调制电路

调制电路由4066模拟开关和LM324构成的加法器组成. 4066为四输入输出的独立模拟开关芯片,将555生成的基带信号和其经过7404非门的反相信号,一路控制载频f1,一路控制载频f2,送给4066模拟开关的控制端口1和2. 当输入信号为1时,模拟开关1打开,2关闭,频率f1输出,当输入信号为0时,模拟开关2打开,1关闭,频率f2输出,则得到两路ASK信号. 再将ASK信号送给加法器电路实现FSK调制. 加法器电路采用模电部分典型的反向输入求和电路,利用芯片LM324实现电路求和. 调制电路如图5所示,各点波形如图6所示.

图5 调制电路

图6 各点波形

3 FSK调制系统仿真

由RC振荡器分别产生f1和f2两个载频送给4066模拟开关的信号输入端IN1和IN4;555产生的占空比60%的脉冲信号送给4066控制端S1和S4,D1与D4产生2个ASK信号,再将2个ASK信号送给以LM324为核心的反相加法器电路输出FSK信号,完成调制,仿真电路和波形图如图7所示.

图7 测试电路图

4 结束语

重视课程实验的系统性,发挥实验教学的实践作用,是实现新工科背景下课程改革的重要指标. 本文分析了现有模电数电课程,设计了一项模电与数电相结合的实验教学项目. 通过电子通信领域常见的调频电路实现数电与模电混合电子系统设计内容的衔接. 该项目融合了模电数电课程多个重点理论基础知识,突破从单一知识点到系统综合设计的创新思维,增强知识的系统性,使电子技术实验教学更加形象化和工程化. 该实验教学项目可为学生在今后解决相对复杂的工程问题奠定基础.