面向系統(tǒng)級仿真設(shè)計(jì)的高頻電子線路課程改革

郭交，秦立峰，靳標(biāo)

摘要：《高頻電子線路》是我校電子信息工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)核心課程。本文針對該課程內(nèi)容多、理論性和專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為了提高教學(xué)效果，在教學(xué)過程針對性地引入面向系統(tǒng)級的仿真設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，改善教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高頻電子線路；系統(tǒng)級仿真；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0278-03

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和通信業(yè)的迅速發(fā)展，通信系統(tǒng)（尤其是無線通信系統(tǒng)）已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等多個領(lǐng)域中，因此當(dāng)前社會上迫切需要相關(guān)專業(yè)理論知識扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的專業(yè)性人才，而《高頻電子線路》正是培養(yǎng)這類人才所必須的，《高頻電子線路》也是我校電子信息工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)核心課程。該課程的顯著特點(diǎn)是教材中包含內(nèi)容多、單元功能模塊電路多、元器件分析較復(fù)雜，其中關(guān)于非線性電路的分析也涉及到大量的理論推導(dǎo)，理論性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺內(nèi)容比較枯燥，難以提高學(xué)習(xí)興趣和積極性，從而造成對基礎(chǔ)知識、理論的理解及掌握不夠深刻。目前的高頻電子線路實(shí)驗(yàn)大多是基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板，是單元電路的驗(yàn)證性試驗(yàn)，而且其中某些實(shí)驗(yàn)易受外界干擾，實(shí)際教學(xué)效果非常有限。針對該課程在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的問題，筆者經(jīng)過近幾年具體的教學(xué)實(shí)踐，通過有針對性地引入面向系統(tǒng)級的仿真設(shè)計(jì)，使學(xué)生首先建立起無線通信系統(tǒng)級的概念，同時加深對每一級單元功能電路信號模型和理論基礎(chǔ)的掌握，然后再具體從每個功能單元模塊出發(fā)，對各部分的實(shí)際電路進(jìn)行具體講解和分析，最后通過系統(tǒng)級的電路仿真對課程所學(xué)知識進(jìn)行綜合運(yùn)用。

一、高頻電子線路實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

高頻電子線路課程中的實(shí)驗(yàn)主要包括以下兩方面：1）利用已有實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板的實(shí)際電路功能測試與分析實(shí)驗(yàn)，例如單/雙調(diào)諧放大器、高頻功率放大器、LC反饋式振蕩器、振幅調(diào)制/解調(diào)等，但是這些實(shí)驗(yàn)都是按照相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書“按部就班”地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，大多是單元電路的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其電路中的元器件參數(shù)很難調(diào)整，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造能力，而且某些實(shí)驗(yàn)（例如混頻、調(diào)幅與解調(diào)等）易受外界干擾，導(dǎo)致實(shí)際教學(xué)效果非常有限。2）基于電路仿真軟件（例如Multisim，Pspice等）的功能單元電路仿真與分析，能夠在一定程度上克服實(shí)際實(shí)驗(yàn)中存在的參數(shù)調(diào)整困難、電路形式固定、易受外界干擾等問題，但是目前大多的電路仿真分析只是停留在單獨(dú)功能單元電路的仿真上，這就使學(xué)生缺乏對無線通信全鏈路級的認(rèn)識和掌握。

二、面向系統(tǒng)級的仿真設(shè)計(jì)

針對上述問題，結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐，通過有針對性地引入面向系統(tǒng)級的仿真設(shè)計(jì)，使學(xué)生牢固地建立起系統(tǒng)級通信系統(tǒng)的概念，加深對每一級功能電路信號模型的掌握，然后再從每一個功能單元模塊出發(fā)，對各部分的實(shí)際電路進(jìn)行具體講解和分析，最后通過電路級全系統(tǒng)仿真對課程各章節(jié)所學(xué)的獨(dú)立知識進(jìn)行綜合與運(yùn)用。

1.基于Matlab Simulink的系統(tǒng)級仿真實(shí)驗(yàn)。Simulink是Matlab環(huán)境的重要組件，能夠提供動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，通過相對簡單的操作可以構(gòu)造出較復(fù)雜的系統(tǒng)。通過對通信系統(tǒng)的發(fā)射/接收通道在Simulink環(huán)境中進(jìn)行建模，可以使學(xué)生建立牢固的通信尤其是無線通信設(shè)備系統(tǒng)級概念，加深對整個發(fā)射/接收鏈路和單元電路的數(shù)學(xué)模型掌握，從根本上徹底解決理論基礎(chǔ)薄弱的問題，同時對于已建模的通信系統(tǒng)，也容易進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，便于分析不同參數(shù)對整個鏈路中各信號時/頻域特性的影響，另外，借助于Simulink中集成的虛擬測試儀器和Matlab自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析及繪圖功能，能夠?qū)θ溌分懈麝P(guān)鍵點(diǎn)處的信號波形進(jìn)行直觀觀測和深入分析。例如圖1所示為AM調(diào)制無線通信系統(tǒng)的發(fā)射通道Simulink仿真結(jié)果，圖1（a）為AM調(diào)制仿真鏈路的建模，包括了低頻放大器、調(diào)制器、載波、功率放大器等模塊，還有相應(yīng)的虛擬示波器和相應(yīng)的頻譜分析儀，以便觀察各信號的時域與頻域波形。圖1（b）和（c）從上向下分別為消息信號、載波和AM已調(diào)波的時域波形和相應(yīng)的頻譜，從中可以形象化地觀測到輸入輸出各個信號的時域和頻域特性。

2.基于Multisim的電路級系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)?；赟imulink的系統(tǒng)級仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生從通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收全鏈路出發(fā)，牢固地掌握高頻電子線路課程所包含的基本理論及各功能單元模塊的信號模型，在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合教材中各獨(dú)立章節(jié)關(guān)于具體單元電路的詳細(xì)介紹，以電路的具體形式實(shí)現(xiàn)上述每個單元模塊的功能，這就要用到基于電子元器件的電路級仿真軟件，例如Multisim，電路級的仿真分析不僅能從直觀上觀測電路的組成結(jié)構(gòu)和各個關(guān)鍵點(diǎn)的電流電壓波形，而且可以較容易地調(diào)節(jié)電路中各元器件的參數(shù)，觀察到輸出信號與電路中各關(guān)鍵元器件參數(shù)之間的直接關(guān)系，能夠作為理論分析和推導(dǎo)的重要補(bǔ)充和充分驗(yàn)證，例如在改進(jìn)型三端式電容反饋振蕩器（克拉波振蕩器）的講授中，利用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)的克拉波振蕩器電路圖，如圖2所示。圖3為克拉波振蕩器輸出的正弦振蕩信號波形和相應(yīng)的實(shí)時頻率測量結(jié)果，通過比較圖3（a）和（b）可以得出，通過改變電路中C4的電容量，振蕩器的輸出頻率會有明顯變化，可以和理論估算的結(jié)果相對比，以驗(yàn)證理論分析和相關(guān)參數(shù)工程估算的正確性。在講解完各單元模塊電路的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)電路的系統(tǒng)級仿真，建議初始階段以分立元件為主進(jìn)行全鏈路的設(shè)計(jì)和分析，后續(xù)可以利用現(xiàn)有的集成IC芯片完成相應(yīng)的高頻電路設(shè)計(jì)。

三、結(jié)論

經(jīng)過近幾年高頻電子線路課程的實(shí)踐教學(xué)，逐漸發(fā)現(xiàn)了在該課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問題，并通過有針對性地引入面向系統(tǒng)級的仿真設(shè)計(jì)，經(jīng)過上述改進(jìn)后的講授獲得了學(xué)生的普遍認(rèn)可和廣泛好評，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性顯著增加，對基本概念的掌握更加牢固，實(shí)際分析及解決問題的能力也有了一定提升，教學(xué)質(zhì)量明顯提高，后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)有的集成IC芯片，從系統(tǒng)級電路仿真實(shí)驗(yàn)向“高頻電路設(shè)計(jì)-PCB設(shè)計(jì)-電路焊接、測試與分析”層面發(fā)展，以期進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出滿足社會需求的卓越人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾興雯，劉乃安，陳健，等.高頻電路原理與分析（第五版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[2]曾興雯，劉乃安，陳健，等.高頻電子線路輔導(dǎo)書[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]黃智偉，黃國玉，王麗君，等.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[4]呂波，王敏，等.Multisim 14電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[5]何俊，房靈芝，張華，等.從第二屆全國電工電子基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)競賽談創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（02）.

[6]王成剛，應(yīng)朝龍，李建海，等.電工電子實(shí)踐技能培養(yǎng)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（03）：217- 221.