虚拟仿真平台在高频电子线路实验中的应用研究

谭景辉

（1.河南理工大学鹤壁工程技术学院，河南鹤壁，458030；2.鹤壁职业技术学院，河南鹤壁， 458030）

1 关于高校高频电子线路课程的简要介绍

高频电子线路课程是高校电子通信专业以及相关专业中的必修课程，目前高校的高频电子线路课程主要包括三大组成部分，分别是理论课堂教学、实验教学以及课程设计。

首先，理论教学。

理论教学，顾名思义，即学习基础理论知识。高频电子线路课程的理论教学通常以电路工作原理、参数设置和电路设计等作为核心内容，一般教师会从理论层面对这些内容进行解释，但基于这些内容自身的抽象性和复杂性，学生学习这些理论知识时就显得有些力不从心，困难重重，对其中的一些内容很难快速理解和转化。

其次，实验教学。

实验教学是高频电子线路课程教学的核心组成部分，实验教学是对理论教学的补充和辅助，通过实验教学，便于学生更好地记忆和理解理论知识。多数情况下，实验教学会搭配理论知识教学进度来进行，会同步对学生学习到的理论知识进行验证。学生的实验操作主要集中在电路板上面，会根据学习到的理论知识来调整各项参数，然后对其输出信号的变化进行观察。

2 高频电子线路课程为何要引入和应用虚拟仿真平台

高校的高频电子线路课程的教学内容相对于其他课程略显枯燥乏味，过强的专业性会在极大程度上影响到课堂教学氛围和学生学习兴趣，而且与电路相关的设计都需要利用公式进行推导和计算，但最终推导计算出来的结果是不是正确的，或者其设计是不是能够真正实现电路功能并不能得到明确的验证。在之前的高频电子线路实验教学当中，教师和学生虽然也可以借助一些实验设备来对其设计结果进行验证，但鉴于诸多客观因素的影响，诸如实验设备操作不便、配套设施基础不完善等等，都会在很大程度上影响到验证的结果，甚至一些设计结果根本就没有办法进行验证。基于此情况，高校引入和应用虚拟仿真平台便具有非常强的实用性，在高频电子线路当中应用虚拟仿真平台可有效解决相关问题。

3 高频电子线路实验教学中常用的虚拟仿真平台介绍——以Multisim14.0为例

3.1 关于 Multisim14.0的介绍

Multisim14.0作为专门进行电路仿真和设计的软件，在当前高校高频电子线路教学中应用非常广泛。Multisim14.0是当前最受欢迎的EDA软件之一，是NI下属公司设计并推出的仿真工具。Multisim14.0建立在PC平台基础之上，利用图形操作界面仿真还原了一个非常正视的电子电路实验工作台，就目前电子电路实验水平而言，在Multisim14.0上面就会可以完成全部实验室开展的电子电路实验。

在Multisim14.0页面中，其主要包括如下栏目板块：

图1 Multisim14.0页面工具栏

3.2 Multisim14.0的特性

关于Multisim14.0的特性：其一，Multisim14.0采用的是全新主动分析模式，使用者可以在更短时间内获得仿真结果。其二，使用的是Multisim探索原始VHDL格式逻辑数字原理图，为其在多种FPGA数字教学平台上运行提供便利。其三，基于Multisim和MPLAB的微控制器教学，实现了微控制器和外设仿真。其四，通过全新的电压、电路、功率和数字探针可视化交互仿真结果。其五，通过全新的电压、电路、功率和数字探针可视化交互仿真结果。

3.3 Multisim14.0在高频电子线路实验中的实用

Multisim14.0软件在高频电子线路实验课程中开展仿真分析的步骤一般设定为：依据原理，设计创建电路原理图——设置电路图选项——确定仿真分析方法——打开仿真开关——运行电路——利用仿真仪器得到所需结果。在实验教学中利用Multisim14.0来开展实验，其既可以更加直观形象地呈现仿真电路和测试结果，又有助于进一步加深学生对相关理论知识的理解程度，提高学生的参与兴致和学习兴趣。

3.4 应用Multisim14.0进行基本电路仿真的操作方法

应用Multisim14.0进行基本电路仿真的操作方法，其具体步骤如下所示：第一步，开启Multisim14.0软件，防止电容、电阻等元器件，如图2所示。

图2

第二步，选中之后会跳出如图3所示窗口，自主选择需要的器件类型的具体型号。

图3

第三步，如图所示位置放置一个电阻元件，并选择需要的电表，如图4所示。

图4

第四步，放置电源，选择下图箭头所示选项，具体如图5所示。

图5

第五步，电源放置好后基本电路回路完成，如图6所示。

图6

第六步，点击下图中箭头所指的运行选项，电路图就此完成。

图7

4 虚拟仿真平台在高频电子线路实验教学中的实践应用与具体案例

当前高校对实验教学的定位是兼具综合性、设计性以及研究探索性的实验，之前传统的实验操作模式并不能满足这一点。因此，引入和应用虚拟仿真平台是实验教学之必须，是对新型实验定位的有效补充。在实验教学过程当中，教师可以结合内容在虚拟仿真平台当中设计出更为合适的实验，可以给出具体的载波和调制信号参数，学生们便可以根据调幅波调制基本原理去自行设计“对称斩波调幅”仿真实现，学生的自行发挥空间越广泛，学生参与实验的积极性就会越高。

4.1 电路仿真实验

目前，应用比较广泛的一个电路辅助设计软件是Protel，这款电路辅助设计软件自身的优势和特色主要集中体现在它拥有着非常强大的电路原理图设计功能和印制板设计功能。但该软件在实践应用过程中也逐渐暴露出的一些问题：其一，Protel软件对PC机分辨率要求要更高一些，如果直接使用该软件系统默认字体，其在对话框中便会经常出现文字不完整的问题，虽然可通过修改默认字体的方式来解决，但依然还会产生一些干扰和影响。其二，Protel软件虽然安装了汉化装置，但随时也产生了一系列问题，丢失了部分功能，影响到软件运行的顺畅性。其三，Protel系统环境设之不当，导致在实际操作中粘贴一些流程框图或者电路图时很小，而且还会带有图框和标题栏。

4.2 模拟通信系统的仿真实验

在高校高频电子线路实验教学当中，用于开展模拟通信系统的仿真实验主要应用到的是一种带有可视化功能的工具，即Simulink，这一工具具有非常强的直观性，而且灵活性也很高，其可以将数字模型非常简单灵活地转化成为软件模型，进而方便开展动态仿真实验。在实际操作过程当中，学生们可以通过此工具的应用来更清楚地了解和认知系统结构、数字模型以及仿真模型之间的关系，而且在显示界面还可以非常清楚地了解具体的发射系统和接收系统。但Simulink工具有着一个非常大的局限性，其也算是它的不足之处。Simulink的的驱动是靠信号流，相当于只是进行功能的仿真，而现实中，尤其是电路，都是靠时钟来驱动，因此，simulink会更适合理论上的研究，在实践方面的应用并不多。

4.3 采用Multisim14.0建模丙类功率放大器的仿真实验

4.3.1 实验原理及电路

丙类功率放大器的原理是利用输入到基极的信号，对集电极的直流电源所供给的直流功率进行控制，转变成为交流信号功率输出。

采用Multisim14.0建模丙类功率放大器，如图8所示。

图8

VBB由信号电流流经Rb（100Ω）上产生自给负偏压，它与Us的幅值共同决定晶体管的导通角，使它工作在丙类，数值可用直流电压表在C口测量。输出电压波形由A端口测得，而晶体管集电极电流波形由1Ω取样电阻获得，B端口可读得取样波形。而负载LC谐振回路应谐振在载波频率上，具体取值还与回路需要的有载Q值有关。Q值越大，选频性能越好，但功率损耗加大。

4.3.2 输出电压的分析

使并联谐振回路谐振与基频，那么它对于基频呈很大的纯电阻性阻抗，而对谐波的阻抗则很小，他们的值与谐振基频之值相比可视为短路，因此，并联谐振电路由于通过集电极电流所产生的的电位降几乎只含有基频。这样集电极电流的失真虽然很大，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能够得到正弦波的输出，如下图所示。回路的这种滤波作用可以从能量的观点解释。回路是由储能元件L1、L2、C构成的。在集电极电流通过的期间，回路储存能量；而在电流截止的期间，回路释放能量，这样就维持了回路中振荡电流的持续性。

图9 丙类功率放大器的输出波形

图10 丙类功率放大器的输出波形

5 结束语

虚拟仿真平台在高频电子线路实验教学中的广泛应用有着非常重要的价值和作用，有了虚拟仿真平台的帮助，一些比较具有抽象性、理解难度也比较大的内容会因此变得更加生动形象，比如，在虚拟仿真平台中可通过改变电路参数得到不同的波形，学生们便可就此了解全过程。这会在很大程度上降低学生的学习和理解难度，可有效加深学生对理论知识的理解和应用，其对于激发和维护学生参与实验学习的积极性和主动性也有着一定的帮助作用。