1251.电路仿真技术在高频电子线路实践教学中的应用.doc

电路仿真技术在高频电子线路实践教学中的应用摘要: 高频电子线路是电子与通信类专业的是理论性和实践性很强一门课程, 它的大部分功能电路是非线性电路, 传统的实验教学方式有较大的弊端，而将电路仿真技术引入到高频电子线路课程的实验教学中，对高频电路进行性能分析与测试, 能够加深学生对高频电路的工作原理和工程近似分析方法的理解和掌握,也有利于学生掌握电路的测试和调整方法,同时可以提高学生的学习兴趣和培养学生的实践动手能力和创新意识关键词: 高频电子线路；实践教学；电路仿真技术；能力培养1 引言《高频电子线路》是电子与通信类专业的一门专业基础类的必修课,实践教学作为整个教学过程中的一个重要环节，在加深学生理解理论知识、增进学习兴趣、掌握知识要点、培养动手能力等起到不可替代的作用，并能为以后的通信原理等后续课程打下良好的基础高频电子线路所研究内容主要是信息传输和信息处理方面的通信系统中基本电路，包括：高频小信号放大电路、高频功率放大器、正弦波振荡器电路、调制和解调电路、混频电路、反馈控制电路等在高频电子线路课程中, 大部分内容是非线性电路, 对于非线性电路必须采用非线性分析方法, 而求解非线性方程是非常困难的, 实际工程上一般采用近似分析和求解的方法, 因此，对于这部分内容的理解和掌握难度较大。

同时, 由于非线性电子电路工作频率较高以及电路的复杂性,许多实际问题及理论都需要通过实践环节来加深理解将电路仿真软件引入到高频电子线路课程的实践教学环节中，将有助于学生加深理解该课程基本理论和基本原理，同时可以提高学生的实践动手能力和创新意识，为将来走上工作岗位奠定基础2 传统高频电子线路实验教学的缺点现行高频电子线路课程实验普遍采用高频电子线路实验箱完成, 实验箱中一般设置了十多个为配合理论课程而设计的验证性实验和个别作为学生综合设计性实验的系统实验经过多次实验教学探索, 通过实验箱完成实验有以下缺点:1) 目前大多数高校的高频电子线路实验多为验证性的内容,主要是让学生掌握课本上大部分基础理论和基本电路模块的工作原理,如LC 串并联谐振回路、混频器、振荡器、锁相环与频率合成技术、调幅、调频等实验内容虽然这种验证性实验可以帮助学生理解和加深课堂所学的内容, 但由于高频典型电路都是设计好的, 电路连接过于简单, 学生只是对输入输出信号做简单的分析,忽略了高频电路中典型电路的基本结构, 同时也逐渐淡忘了电子电路基础课程中一些电路连接的方法及元器件的选择方法2) 通过实验箱完成实验教学过程中，如果某部分电路或某个元器件被损坏, 维修过程过于麻烦。

因为电路的检修、配置相应的元器件都有相当大的难度,同时，也无法更换电路模块, 须送回厂家维修,会影响课程的正常实验教学3) 高频电子线路实验课课时一般16-18课时左右,只能完成8-9个验证性实验,甚至无法涉及设计性实验因此，并不能提高学生实际动手与设计能力以及如何利用基本单元电路进行具体的应用，对于培养学生综合素质、创新能力也很不利3 电路仿真技术高频电子线路课程实验教学中的应用在利用仿真软件的仿真实验过程中,学生选择元件和仪器,设置电路元件参数,按照设计电路进行元件的连接,有助于学生熟悉电路,同时加深对电路原理和实验现象的理解.另外,在仿真过程中,学生可以根据自己的思路,修改实验电路、修改元件参数和输入信号,通过输出信号进行研究和分析,进一步完善电路 常用仿真工具有Multisim和PSPICE等1）Multisim 2001 也是一种用于电路实验教学的交互式仿真软件,它有强大的分析功能提供了多种电路的分析功能,有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析等,可帮助学生分析电路的性能,大大缩短分析时间. 同时,还具备了强大的虚拟仪器仪表功能,提供了双踪示波器、逻辑分析仪、波特图示仪、数字万用表等多种虚拟仪器、仪表,操作界面和在实验室中实际操作仪器基本一样,可非常方便地用于分析研究和教学. 通过此仿真工具,能非常方便地将元器件的选择、原理图设计、系统仿真运行等融为一体,组成计算机实验平台,并通过验证型、综合型、设计型和创新型等不同训练形式,培养学生分析、设计和应用能力.2）PSPICE是较早出现的EDA软件之一，1985年就由MICROSIM公司推出。

PSPICE是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件PSPICE具有强大的电路分析功能，包括： (1)直流分析:包括电路的静态工作点分析、直流小信号传递函数值分析、直流扫描分析与直流小信号灵敏度分析分析结果以文本文件方式输出2)交流小信号分析:包括频率响应分析和噪声分析根据用户所指定的频率范围内对电路进行仿真分析3)瞬态分析: 即时域分析，包括电路对不同信号的瞬态响应，时域波形经过快速傅里叶变换（FFT）后，可得到频谱图通过瞬态分析，也可以得到数字电路时序波形　　另外，PSPICE可以对电路的输出进行傅里叶分析，得到时域响应的傅里叶分量（直流分量、各次谐波分量、非线性谐波失真系数等）这些结果以文本方式输出4)灵敏度分析: 灵敏度分析是计算电路指定的输出变量对电路元件参数的小信号灵敏度值 (5)温度特性分析：PSpice通常是在27℃情况下进行各种分析和仿真的，如果用户指定电路的工作温度，则可以进行不同温度下的电路特性分析 (6)蒙特卡罗（Monte Carlo）分析和最坏情况（Worst Case）分析：蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差（容许误差）范围内，以某种分布规律随机变化时电路特性的变化情况，这些特性包括直流、交流或瞬态特性。

最坏情况分析与蒙特卡罗分析都属于统计分析，所不同的是，蒙特卡罗分析是在同一次仿真分析中，参数按指定的统计规律同时发生随机变化；而最坏情况分析则是在最后一次分析时，使各个参数同时按容差范围内各自的最大变化量改变，以得到最坏情况下的电路特性4 利用PSIPCE对大信号非线性电子电路进行瞬态分析一阶RC电路如图所示试利用PSPICE进行电路的时域响应（瞬态）分析图1RC电路 图2 激励源选择(1)电路图的绘制，如图1示输入电路图名称（如RC），绘制电路图激励为电压脉冲源，选用Source.slb库中的VPULSE分别键入下面参数的名称和数值：V1＝0V（初始值），V2＝5V（幅值），TR＝0.4μs（上升时间），TF＝0.5μs（下降时间），TD＝0（延迟时间），PW＝10ms（脉冲宽度），PER＝20ms（周期）PSpice库中存有各种类型瞬态分析电压（电流）激励源供调用，脉冲源VPULSE是其中之一，如图2示 (2)执行PSpice分析程序，结果波形见图所示其中脉冲波是输入的矩形脉冲，三角波是输出波形由于电路的时间常数，R1=100τ＝RC＝100×10×10－6＝1ms,而矩形输入脉冲的周期是T=20ms，因此本例中的RC电路为积分电路，输出电压波形仍是矩形波，如图3示；而电流波形是一个尖顶波如图4所示。

图3 输出电压波形图4 电流波形(3)当R1=2K（或者大于2K）此时 τ＝RC＝2000×10×10－6＝20ms（或>20ms），输出的电压波形变换成三角波，而且在波形输出窗口中可以观察到电容的动态充电过程，即其平均电压值在升高，开始时，是“充得多，放得少”电容电压开始“爬坡”，大约在80ms后达到动态平衡，即是电容电压“充多少，放多少”保持一个稳定值，如图5所示这种现象在通常无存储的示波器上是观察不到的图5 电容的动态充电过程通过对一阶RC电路的PSPICE仿真，可以看出仿真结果符合理论分析，很容易让学生理解一阶RC电路电路的时域特性，也深刻理解了电容的充电过程，达到了事半功倍的效果5 结束语将Multisim和PSIPCE等仿真工具软件引入到高频电子线路实验设计中,电路的稳定性分析、频率响应等内容都可以通过仿真来实现,从而提高教学效果,增加学生对所学内容的理解并且通过软件仿真环节，培养了学生利用工具分析问题、解决问题的能力，也培养了学生的创新意识，同时也让学生了解到实验数据对分析问题的重要性 利用电路仿真技术对高频电子线路进行性能测试、分析, 不仅使学生加深了对高频电路的工作原理和工程近似分析方法的理解, 同时也使掌握了高频电路的测试、调整方法。

此外, 利用电路仿真技术对电路进行性能调试, 不用担心元器件的损坏及电路安全, 学生通过仿真测试后, 再进行实际电路调试, 更具有针对性,同时也减少了元器件和实验器件的损坏利用电路仿真技术教学是既经济又安全的科学教学方法，同时也极大地提高学习兴趣与电路设计的能力、解决实际问题的能力参考文献：[1] 董在望,等.通信电路原理[M].北京:高等教育出版社,2002[2] 张肃文.高频电子线路[M]. 北京:高等教育出版社,1992[3] 罗晖,王传云.高频电子线路课程实验改革探讨[J]. 华东交通大学学报, 2005 ,12:71-72[4] 王苹.基于PSPICE 的高频电子线路的仿真教学[J].巢湖学院学报, 2007,9 (3):133-136The Aplication of The Circuit Simulation Technology in High-frequency Electronic Circuit Pratice TeachingAbstract: High-frequency electronic circuit is a course of strong theoretical and practical and for electronic and communication professional, most of its functional circuit is non-linear , the traditional experiments teaching way have greater disadvantages, and bring the circuit simulation technology to the high-frequency electronic circuit experiment teaching for high-frequency circuit analysis and testing, can deepen the students understanding and grasping to the theorem and engineering similar analysis method of the high-frequency circuits , but also conducive to students to grasp the test and adjust method of the circuit, at the same time to increase learning interesting and develop the students ability of practicing and innovation.Key Words: High-frequency electronic circuit; experiments teaching; the circuit simulation technology;ability development。