高频电子线路仿真实验的设计与实现

第28卷第2期 2009年2月

实验室研究与探索

RESEARC H AND EX PLORAT I ON I N LABORATORY

Vo.l 28N o .2

Feb .2009

高频电子线路仿真实验的设计与实现

高 远, 姚 澄, 朱昌平

(河海大学计算机及信息工程学院,江苏常州213022)

摘 要:通过对高频电子线路的仿真实验特点的分析,设计了基于电路原理的通信系统仿真实验和基于硬件电路的仿真实验,并借助M atalb 软件中的S I M ULI N K 仿真和PSPI CE 仿真软件,实现了模拟通信系统仿真实验和发射机与接收机部分电路仿真实验。说明了仿真技术在电子技术实验教学中的应用方法

和过程,是对实验课程的教学方法和教学模式改革的探索与实践。关键词:高频电子线路;实验教学;仿真

中图分类号:TP 391.9 文献标识码:A 文章编号:1006-7167(2009)02-0085-04

Desi g n and Rea li z ation of Sm i ulati o n Experm i ent of

H i g h Fr equency El e ctr oni c Circuit

GAO Yuan, YAO Cheng, Z HU Chang-p ing

(Co llege of Co m puter&Infor m ati o n Eng i n eer i n g ,H oha iU niversity ,Chang zhou 213022,Ch i n a)

Abst ract :Through the ana l y sis of the characteristics of h i g h frequency e lectron ic c ircu it si m u lation experi m en,t t w o si m -u lation experi m ents ,one based on t h e c ircuit pri n c i p le and the o t h er based on hardw are circu its ,w ere desi g ned and i m -ple m ented w it h PSPI CE and S I M ULI NK o fM atlab .The m ethod and process of the si m ulati o n techn ica l applicati o n w ere

g i v en .The si m ulation techn ica l app licati o n to experi m ent teachings is a k i n d o f explorati o n and practice to the refor m o f teach i n g m ethods and m odes .

K ey w ords :high frequency e lectron ic circui;t experi m ent teaching ;si m u lation

CLC nu m ber :TP 391.9 Docu m ent code :A A rticle ID :1006-7167(2009)02-0085-04

收稿日期:2008-09-09

基金项目:江苏省高等教育学会/十一五0高等教育科学研究规划课题(J S160);河海大学/通信工程0特色专业与/高频电子线路0精品课程建设项目

作者简介:高 远(1975-),女,辽宁朝阳人,硕士,讲师,主要从事现代通信系统方面的教学与研究。

1 引 言

长期以来,实验教学以教师为主体,学生动手,处于被动接受的状态。要实现学生为主体、教师为主导的实验教学理念,就需要对实验教学方法和教学模式进行改革。

近年来,计算机辅助教学技术在各个高校的教学中得到了广泛的应用。如何将计算机技术的优势与实验教学有机结合,以提高实验效率,丰富实验内容,许

多高校都进行了探索和实践[1-3]

。但将SI M ULI NK 和

PSPI CE 两种仿真技术同时应用于高频电路的实验教学中,目前尚未有太多的实践。

本文从电子技术实验教学改革的实践出发,结合高频电子线路课程的特点,以及在实验过程中发现的一些疑点和难点,设计并实现了基于电路原理的SI M -ULI N K 通信系统仿真实验和基于硬件电路的PSPI CE 仿真实验。

2 仿真实验的特点

与课堂教学使用的计算机辅助教学课件不同,仿真实验软件应具有更强的针对性和可操作性。本仿真实验主要是针对综合类实验设计的。因为基础实验一般都有成熟的硬件电路与之配套,而具有一定提高性的综合类实验往往内容单一,并经常受到学时的限制,而不能充分完成。借助于仿真实验软件,既可以扩大实验内容,同时,因部分仿真实验可留给学

生课后完成,也提高了实验效率。

为保证仿真实验达到预期效果,仿真实验软件的可操作性至关重要。不仅要保证课上规定实验的操作顺畅完成,更重要的是要为学生课后自我发挥留有余地,即仿真实验的开放性,实现学生对实验参数,乃至模型本身的修改与优化。

3 仿真实验的设计

在素质教育过程中,强调学生对知识体系的理解,而不仅仅是个别知识点的掌握。而综合类实验的目的之一,正是使学生通过实验掌握通信系统的概念,以及系统中各单元电路之间的关联。所以,在仿真实验设计过程中,要突出课程自身的体系结构,使学生从学习具体知识的/点0,走到知识所在的/面0,这将有利于学生对相关领域技术的领悟。因此,设计了一个完整的通信系统仿真实验,以使学生理解课程的/面0。同时,根据本课程电路实践性强的特点,设计了发射机整机电路和接收机部分电路的仿真实验。3.1 基于电路原理的通信系统仿真实验

教学中,学生对系统数学模型的理解只停留在公式层面是一个很大的问题,对参数如何影响信号变化,以及各个公式间的关联性,缺乏形象而具体的理解。为此,设计了以数学模型为基础的通信系统仿真实验,实验中的每一模块都依据该模块所代表的单元电路的实现原理建立。实验过程中,通过对仿真结果的分析,加深学生对数学模型的理解。同时,学生可以在课后修改仿真参数,优化模型。3.2 基于硬件电路的仿真实验

高频电子线路属于电子技术类课程,课程中除了涉及用数学模型表达的电路原理外,还有大量的电路分析与设计的问题。而课程的实验内容,也多以对硬件电路的测试为主。为实现硬件测试与软件仿真的结合,设计了基于硬件电路的仿真实验。

利用软件仿真,可以观测到一些在硬件电路实验中无法观测到的现象,如振荡电路中,某些参数对起振时间的影响;电路参数的优化;温度及噪声对电路性能的影响等。其次,可以节省部分实验经费,如利用软件仿真实现信号频谱的观测,而不必花大价钱购买大量的频谱仪。再次,一旦学生掌握了仿真软件的使用方法,对电路的分析、设计、优化会有更好地认识,为后期的电路设计应用提供平台。

4 仿真实验的实现

4.1 模拟通信系统仿真实验

M atlab 中的SI M ULI N K 工具可方便地把数学模型

转化为软件模型,进行动态仿真。与文献[4,5]相比,

此仿真模型突出了系统概念,增强了可操作性。

根据模拟通信系统的数学模型,建立含发射、接收在内的通信系统,并设计了控制界面,如图1所示。在界面上除可选择调制方式(调频FM,普通调幅AM,抑制载波的双边带调幅DSB)外,还可以对所选的调制方式设置参数、观测波形及频谱。/存储当前的波形数据0和/显示存储波形0功能,用来比较在参数改变时波形的变化,在对比中进一步增强不同参数对系统影响的认识。控制界面的设计更加完善了系统的可视性和可操作性。

图1 模拟通信系统仿真的控制界面

为了让学生在操作过程中,清楚地了解系统的结构,以及数学模型与仿真模型的对应关系,在界面显示波形的同时,可以看到具体的发射与接收系统,如图2

所示(其中接收部分,未考虑噪声因素)。系统图中的子框图,采用了S I M ULI N K 的封装技术,双击子框图,即可看到被封装的子系统。每个子系统的构成都按照数学模型构建,如混频子系统(见图3)。I n1和In2分别表示混频框图中的经高频放大的输入信号和本地载波输入信号,根据数学推理可知,混频是2个输入信号积化和差后减去和频分量的过程(假设中频为输入信号的差频),图3大方框中的部分,就是根据数学模型所构建的和频部分,其中标有信号和信号1的框图也封装成子系统。

可见,利用模拟通信系统的动态仿真,一方面可以使学生通过动手操作,对系统概念、数学模型及其参数作用,有更清晰的认识;另一方面,由于此系统的构成为全开放性,学生可以对系统模型加以改进,从而激发学习兴趣,为学生的提高性学习提供平台。4.2 电路仿真实验

PSPI CE 是公认的通用电路模拟程序中的优秀软件,它在高频电路课程的教学中已有许多应用[6-8]

。这

里主要着重说明它在高频电路实验中的应用。4.2.1 发射机电路的仿真实验

发射机电路仿真实验首先从建立发射系统层次原理图开始,如图4所示。然后双击原理图中每个组成框图,即可看到组成此框图的电路图。以载波发生器

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实 验 室 研 究 与 探 索

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