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高频电子线路仿真实验设计与实现

来源:免费论文网 | 时间:2018-04-09 09:10:56 | 移动端:高频电子线路仿真实验设计与实现

高频电子线路仿真实验设计与实现 本文关键词:仿真,实验,电子线路,设计

高频电子线路仿真实验设计与实现 本文简介:[摘要]针对高频电子线路实验教学特点及存在的问题,设计出相应的仿真实验项目。当前主要使用面向框图的Simulink仿真软件,以及有标准元件的模拟和数字电路库PSpice仿真软件,开展通信系统的Matlab仿真实验。本文主要探讨高频电子线路仿真实验,分析了通信系统Matlab仿真实验、电路仿真实验的实

高频电子线路仿真实验设计与实现 本文内容:

[摘要]针对高频电子线路实验教学特点及存在的问题,设计出相应的仿真实验项目。当前主要使用面向框图的Simulink仿真软件,以及有标准元件的模拟和数字电路库PSpice仿真软件,开展通信系统的Matlab仿真实验。本文主要探讨高频电子线路仿真实验,分析了通信系统Matlab仿真实验、电路仿真实验的实现流程,并对电子技术中的仿真实验方式进行了讲解。

[关键词]高频电子线路;仿真实验;设计实现

1引言

当前高频电子线路仿真实验的教学,仍旧以教师讲解为主的教学方式。但随着计算机信息教学设备的快速发展,使用仿真软件进行高频电子线路实验,逐渐成为仿真实验教学的主流。因此本文主要运用Matlab软件中的Simulink、PSpice仿真软件,来对通信系统和电子电路的仿真实验进行模拟,从而实现电子技术实验教学的革新。

2高频电子线路仿真实验设计的必要性

相比于传统计算机教学课件的实验教学,高频电子线路仿真实验的理论性与实践性更强,学生在仿真实验软件操作中的参与感也更强。而且高频电子线路仿真实验的综合性较强,实验类目与涉及的硬件设备较多,现有学时不能完成所有通信系统和电子电路的仿真教学。对于高频电子线路综合实验教学而言,其主要目的在于帮助学生掌握通信系统中各个电路存在的关联属性。因此使用Matlab仿真软件进行实验项目的仿真教学,能够摆脱传统实验设备的限制,帮助学生完成具体电子线路流程的操作。同时仿真实验软件的操作更加灵活,学生可以根据自身需要,在课下完成相应电子电路的仿真操作,这能够有效提高通信系统和电子电路的仿真实验效率。

3高频电子线路仿真实验的模型

3.1基于硬件电路的仿真实验模型

高频电子线路中存在着大量的线路设计、电路分析问题,所以在利用PSpice进行仿真实验过程中,需要对实验的硬件线路进行设计。PSpice作为主要的Matlab仿真软件,其能够快速完成常用电路的设计与分析工作。而且在直流、交流和瞬时电路的模拟分析中,PSpice仿真软件有着较高的精确度。PSpice仿真软件在高频电子线路实验中的应用,可以有效帮助学生梳理仿真实验的整个流程,并能够解决现实实验教学中元器件的调试问题。在谐振功率放大器的实验中,利用PSpice仿真软件进行电子线路电压、电流的仿真操作,可以直观观察到谐振功率放大器的数据变化情况。3.1.1调谐放大器的谐振电路实验模型接收机调谐放大器的谐振电路实验中,需要使用小信号调谐放大器进行电压放大。小信号调谐放大器中存在多集电极晶体管,多集电极晶体管包含电容、电感等元器件。整个调谐放大器仿真电路,属于电路端电压、总电流同相位的补偿回路。在单一次数调谐的并联谐振回路中,电阻L1、L2与电容C存在着并联的关系,所以在谐振电路实验仿真过程中,需要关注互感元件的电感匝数。通过使用PSpice仿真软件,进行谐振频率放大倍数、放大能力和频率选择性等的仿真,并在计算机中显示最终仿真结果。假设调谐放大器谐振电路的起始电压为0、频率0.5MHz,实验发现其终止频率为50MHz。调谐放大器谐振电路电压放大倍数最大的时刻,其谐振频率f处于5MHz的位置,在计算机中输出的最大电压值为12mV。从以上数据可以得出:在调谐放大器谐振电路中,电压放大了12倍,放大电路对不同频率信号的放大能力为2Δf。因此对于调谐放大器谐振交流电路的参数分析,能够有效得出谐振频率的放大倍数、放大能力和频率选择性等仿真信息,PSpice仿真电路设计也较为简便。3.1.2超外差接收机的PSpice仿真实验模型除使用Simulink软件进行超外差接收机仿真实验之外,还可以使用PSpice仿真软件,进行超外差接收机仿真模型的构建。在高频电子线路实验教学中,超外差接收机通常被应用到无线电接收系统内部。其仿真电路主要通过流水线乘法器LPM模块,来完成幅度调制信号的输入活动。之后使用集成电路模拟乘法器MC1496,进行集成混频器的设置,从而完成电路中信号频率的变换活动。最后使用调谐放大器进行频率的放大,使用二极管大信号包络检波器进行频率的解调。运用PSpice仿真软件进行超外差接收机仿真设计,能够帮助学生快速理解电子线路的实验流程。

3.2基于电路原理的通信系统仿真模型

Simulink作为Matlab软件中面向框图的仿真软件,其能够为用户提供模块化的图形编辑器组合,也能够创建动态化的系统模型。Simulink还具有丰富的扩展模块窗口,可以帮助用户完成仿真实验的建模活动。Simulink仿真软件将不同功能分割为不同的设计模块,从而完成对复杂功能的规范化管理。相比于其他建模仿真软件,Simulink仿真软件操作步骤更加简便,用户只需点击鼠标就能够完成需要的仿真操作。在实现高频电子线路仿真实验之后,计算机屏幕中就会显示相应的仿真结果。本文主要探讨Simulink仿真软件在通信系统、电子电路中的仿真,通过建立层级结构的Simu-link仿真模型,来完成用户想要的电子线路仿真操作。对于高频电子线路的仿真实验,主要利用Simulink仿真软件构建输入数据源、接收数据源等,来完成通信系统仿真实验。在使用Simulink软件进行通信系统仿真实验之前,首先应单击工具栏选择菜单中的“File”-“New”-“Model’,来构建需要的仿真模块。之后将不同的Simulink模块拖拽至对应的模型窗口,并用鼠标设置不同模块的参数信息,最后把所有Simulink模块连接为一个整体。接下来在模型窗口选择菜单“Simulation”-“Simulationparameters……”,打开参数设置对话框,在Solver页对仿真起始和结束时间、仿真步长、仿真解法和输出模式进行参数设置。在模型窗口设置最大步长的信息,就能够从Scope示波器中查看相应的输出波形。其中超外差接收机中的振荡信号会随着接收频率的变化而变化,超外差接收机Simulink仿真模型如图1所示,调幅广播接收机系统的仿真波形如图2所示。

4高频电子线路动态仿真实验的设计分析

4.1模拟通信系统仿真实验的设计分析

在模拟通信系统仿真实验的设计中,主要使用Simulink仿真工具进行动态仿真设计。相比于通信系统的动态仿真,使用Simulink的模拟通信系统仿真操作性更强。Simulink仿真软件将不同功能分割为不同的设计模块,控制界面将所有通信系统模块连接为一个整体。在完成模拟通信系统各个模块的组建后,需要构建高频发射、高频接收电路,并在通信系统中对控制界面进行进一步优化。在模拟通信系统仿真的控制界面中,还可以对调频、调幅、双边带调幅等调制方式进行选取,设置相应的振荡幅度、振荡频率和中频频率等参数信息,并在显示器中观察最终的频谱波形。其中模拟通信系统中的波形,会随着各个参数的变化而发生改变,因此可以在波形数据的显示面板,来观察不同波形的影响。模拟通信系统中的各个仿真模型,与控制界面的波形显示存在着一一对应的关系。教师可以设置发射电路、接收电路面板,来完善模拟通信系统的操作结构。在发射与接收的仿真系统中,将整个仿真系统分为发射部分和接收部分。其中发射部包括调制前后频谱、调制信号、载波、调频、调幅和双边带调幅等,接收部分包括高频放大、中频放大、混频、混频前后频谱合检波等,其主要组成结构见图3。这些元器件都被封装在Simulink的模拟通信系统中,学生可以通过点击引导来查看部分框图。以模拟通信系统中的混频子系统为例,混频子系统主要输入高频放大信号In1、本地载波信号Out1,之后在混频子系统中进行混频操作。混频要将两个输入信号函数值的积,化为另两个输入信号函数值和的常数倍,并将最终和频信号分为两个输出信号In1和In2。和频信号包括信号Out1、Constant1、Product2、Product3、VO1和V3等,其主要组成结构见图4的大方框。因此使用模拟通信系统进行电子线路的封装,能够使整个动态仿真的结构设计更加简便,也可以使学生清晰地看到每个操作流程。学生也可以根据自身的学习内容,对模拟通信系统中的组成结构进行修改,以提高电子线路仿真实验的效率。

4.2高频发射机电路的仿真实验分析

在发射机电路仿真实验系统的构建中,首先需要将低频信号发生器、载波发生器、幅度调制和高频功率放大单位等,组合为发射机层级框架。其中发射机层级框架的每个元器件内,有包含若干的高频发射机电路框图。例如:在载波发生器的仿真实验中,包含有多个电容、电阻和晶体管发射极,通过改变三极管基极的偏置电阻R数值,来对发射机中各个电流的变化情况进行分析。同时还要对反馈系数F、电容数值进行观测,以确定两数值对振荡幅度和起振时间的影响。

4.3高频接收机电路的仿真实验分析

对于高频接收机电路的仿真实验,其主要内容为调谐放大器仿真实验、幅度检波器失真实验。由于两种电路所需实验元器件较多,因此运用PSpice软件进行虚拟电路模块的构建,可以更加快捷地修改电路中的参数信息。在完成调谐放大器谐振回路搭建后,需要对电路的谐振曲线进行分析。通过改变接入器件的相关参数,再次观察得到的波形信息。例如:在学生进行调谐放大器谐振回路仿真中,可以要求学生调整初级线圈、次级线圈的电感TX,并观察调谐放大器的放大性能变化。通过调整三极管集电极电流大小,来观察输入信号的振幅变化情况。对于幅度检波器的失真实验,首先需要将检波二极管进行反接,观察高频信号解调与输出波形的情况。检波输出可能产生三种失真:第一由于检波二极管伏安特性弯曲引起的非线性失真;第二由于滤波电容放电慢引起的惰性失真;第三是由于输出耦合电容上直流电压引起的负峰值失真。因此在幅度检波器的失真实验过程中,需要运用示波器对两个输入波形频率f进行测量,将幅度调整到波形正常的数值。然后要对电路中存在的非线性原因,采取相应的补偿措施进行控制,以保证集电极电源电压的稳定。

5结语

在高频电子线路的仿真实验中,需要运用相应的教学手段,对仿真实验的内容进行设计。传统高频电子线路的仿真实验,会涉及到大量的元器件和仿真电路的连接,因此使用硬件的实验获得效果较差。本文主要运用Matlab软件中的Simulink、PSpice仿真软件,进行模拟通信系统、高频发射机电路和高频接收机电路的仿真实验。这种模拟硬件的电子线路仿真模式,在实验操作方面更加灵活,获得的实验效果也更好。

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作者:马海燕 杨犀 单位:洛阳师范学院


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