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    第32 卷第2期2013 年2月实验室研究与探索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY Vol. 32 No. 2 Feb. 2013 ·专题研讨·— — —Multisim 仿真实验 基于 Multisim 的高频谐振功率放大器仿真实验 朱高中(渭南师范学院 物理与电气工程学院,陕西 渭南 714000) 摘要: 针对传统高频电路实验箱实践教学的不足, 分析了应用电路仿真软件辅助 实验教学的必要性, 通过运用 Multisim 对二极管包络检波电路进行虚拟仿真实验, 研究了二极管包络检波电路正常检波情况、 惰性失真现象以及负峰切割失真现象 等.通过不断地改变电路元件的参数进行对比观察得到二极管检波电路的相关特 性, 虚拟仿真实验结果和理论分析计算结果相一致.实践证明, 将Multisim 应用于 高频电子线路仿真实验教学, 可以克服实验教学中仪器仪表的不足以及各种干扰 现象, 使实验更加灵活, 更具有创新性, 也有利提高学生的学习的积极性和主动性. 关键词: 高频电路; 检波; 虚拟仿真 中图分类号: O 353. 5 文献标志码: A 文章编号: 1006 - 7167( 2013) 02 - 0092 - 03 Simulation of High Frequency Resonant Power Amplifier Based on Multisim ZHU Gao- zhong ( Physics and Electronic Engineering Institute,Weinan Normal University,Weinan 714000,China) Abstract: In view of the deficiencies in the traditional practice teaching of high frequency circuit experiment box,this paper analyzes the application of circuit simulation software in experimental teaching. It studies the high frequency resonant power amplifier circuit in undervoltage overvoltage conditions,etc. The result indicates that virtual simulation experiment results conform to theoretical calculation results. Practice proves that the application of Multisim in the simulation experimental teaching of high frequency electronic circuits can overcome the deficiencies in the experimental teaching instruments and different kinds of interferences,making the experiment more flexible,more innovative,which can arouse students'learning enthusiasm and initiative. Key words: high frequency circuit; detection; virtual simulation 收稿日期: 2012 - 05 - 04 基金项目: 陕西省教育厅自然科学专项( 2010JK533) ; 陕西省教育 厅科学研究项目 ( 12JK0514) ; 渭南市自然科学基础研究计划项目 ( 2011KYJ- 3) 作者简介: 朱高中( 1980 - ) , 男, 河南周口人, 硕士, 讲师, 研究方 向: 信号处理, 电子技术, 虚拟仪器与虚拟仿真. Tel. : 15029439207; E- mail: zhugaozhong188@ 163. com 0 引言高频谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子 系统中, 高频功率放大器的主要功能是放大高频信号, 并且以高效输出大功率为目的.它主要应用于各种无 线电发射机中.高频信号的功率放大, 其实质是在在 输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功 率, 因此除要求高频功放产生符合要求的高频功率外, 还应要求具有尽可能高的转换效率.为了提高效率, 高频功放都工作在丙类状态.高频功率放大器实验通 常借助试验箱来完成实验教学, 但高频实验在检测信 号干扰严重, 通过示波器输出信号很难达到理论的波 形数据, 故此可以采用实践实验教学和仿真实验教学 两者结合的方法 [1- 3 ] , 一方面能够使学生掌握高频的基 本理论知识; 另一方面可以使学生在根据仿真输出的 第2期朱高中: 基于 Multisim 的高频谐振功率放大器仿真实验 波形数据更好分析实践实验教学中所存在的问题和现 象.本文探讨将 Multisim 仿真软件应用于高频电子线 路实验教学当中, 弥补了传统实验教学的不足, 提高了 实验教学的质量. 1 Multisim 在高频实验教学中的应用 在高频电子线路创新实验的教学中, 首先因根据 电路的要求和其工作原理设计正确的原理图, 然后根 据原理图在 Multisim 工作区调出电路原理图中的电子 元器件, 创建仿真电路, 检查连线是否完好, 设置电路 参数, 然后调出虚拟示波器和万用表及频谱分析仪对 电路进行时域和频域的分析处理, 确定电路性能, 根据 电路的要求分析输出波形是否正确, 如果仿真结果不 正确, 检查参数设置情况, 再次进行仿真分析, 直到输 出的波形和理论波形完全符合要求为止, 最后写出实 验分析报告.其实验流程图如图 1 所示. 图1实验仿真教学流程图 2 高频谐振功率放大器的工作原理 2. 1 高频谐振电路基本原理 高频谐振功率放大器的原理电路如图 2 所示.除 电源和偏置电路外, 它是由晶体管, 谐振回路和输入回 路3部分组成.高频功放中常采用平面工艺制造的 NPN 高频大功率晶体管, 它能承受高电压和大电流, 并有较高的特征频率 fT.晶体管作为一个电流控制器 件, 它在较小的激励信号电压作用下, 形成基极电流 ib , ib 控制了较大的集电极电流 ic , ic 流过谐振回路产 生高频功率输出, 从而完成了把电源的直流功率转换 为高频功率的任务.为了使高频功放以高效输出大功 率, 常选在丙类状态下工作.由工作原理可得关系式. ( 1) 外部电路关系式: ube = - UBB + Ubmcos ωt, uce = UCC - Ucmcos ωt ( 2) 晶体管的内部特性: 图2谐振功率放大器原理图 Ic = gm( ube - UBE( on) ) ( 3) ( 半) 导通角: 根据晶体管的转移特性曲线可 得: Ubmcos θ = | UBB | + UBE( on) θ = arccos | UBB | + UBE( on) Ubm 2. 2 高频功率放大器的特性曲线 在高频功率放大器中根据晶体管工作的是否进入 饱和区域, 可把高频谐振功率放大器分为欠压、 临界和 过压 3 种工作状态, 其高频谐振功率放大器的动态特 性曲线如图 3 所示.由图 3 可知高频谐振功率放大器 的工作状态是由集电极的谐振阻抗 RL、 输入信号的幅 度Ubm、 基极偏置电压 UBB 和集电极电源电压 UCC4 个 参量决定的. 图3谐振功率放大器的动态特性曲线 假设 UBB 、 UCC 和RL3 个参量不变的情况下, 改变 Ubm, 放大器的工作状态将跟随变化, 当Ubm 由小增大 时, 晶闸管的导通时间加长, 集电极的电流脉冲宽度和 高度均增加, 随着输入电压 Ubm 的增大, 输出波形出现 凹陷情况, 此时放大器的工作状态从欠压状态进入临 界然后过压状态如图 4( a) 所示.在欠压状态下随着 Ubm的增大集电极电流的脉冲高度增加显著, 所以 Ic0 、 Ic1 和相应的 Ucm 随着 Ubm 的增加而迅速的增大.在过 压状态时, Ubm增大时集电极电流高度增大缓慢并出现 凹陷波形, 其凹陷波形也逐步加深, 此时 Ic0 、 Ic1 和相应 的Ucm增加缓慢, Ic0 、 Ic1 和Ucm随Ubm变化的特性曲线如 图4( b) 所示. 3 9 实验室研究与探索第32 卷(a) ic 脉冲波形的变化 ( b) 放大特性 图4Ubm 对谐振放大器的工作状态的影响 3 高频谐振功率放大器电路虚拟仿真分析 在Multisim 工作区创建高频谐振功率放大器电路 图, 并添加了虚拟示波器和信号源, 仿真电路图如图 5 所示, 调节信号源发生器, 使输入信号 fi = 465 kHz, 信 号源的振幅为 Ubm, 集电极的直流电源电源 UCC = 12 V, 基极电压采用零偏置的形式, L1 、 C1 构成滤波匹配 网络.它们与 R2 构成并联谐振回路, 电感 L1 为510 μH 的恒定电感, 电容为 C1 为350 pF 的可调电容, 通 过微调 L1 C1 谐振回路的谐振电容 C1 使集电极电流达 到最小值, 即此时功率放大器工作谐振的工作状态. 通过不断增大 Ubm, 对输出信号进行特性分析. 图5丙类谐振回路放大器仿真实验电路 3. 1 过压状态下特性分析 给输入端电源加信号源电压幅值 Ubm, 根据输入 信号源, 调节负载回路的可调电阻, 用示波器观察 R1 及集电极电压的波形, 通过逐步增大可调电阻 R2 值为 75% , 观察 R1 输出波形出现接近对称的凹陷脉冲, 此 时表明功放工作在过压状态, R1 及集电极电压分别如 图6所示. 3. 2 临界状态下功率与效率的测量 维持输入信号的频率和谐振回路R2 的可调电阻 ( a) R1 ( b) 集电极电压 图6过压状态下输出电压波形 阻值不变, 逐步减小输入信号幅值 Ubm 大小, 使功放退 出过压状态, 根据不断减小输入端信号得出输出的波 形可以看出, 当输入信号电压的幅值减小到 390 mV, 使得 R1 上的电压波形为最大的尖顶脉冲波形, 说明此 时功放工作在欠压和过压之间的临界状态.其临界状 态下 R1 及集电极电压波形分别如图 7 所示. ( a) R1 ( b) 集电极电压 图7临界状态下输出电压波形 3. 3 欠压状态下特性分析 维持输入信号的频率和谐振回路 R2 的可调电阻 阻值不变, 为了验证其欠压状态的工作特性, 逐步减小 输入信号的幅值大小, 使功放退出临界状态, 调节输入 信号电压的幅值的减小到 380 mV, 此时功放已经退出 临界状态, 功放工作于欠压状态, 其欠压状态下 R1 及 集电极的电压波形分别如图 8 所示.通过欠压状态 R1 输出波形和临界状态下相比可知, 欠压状态下 R1 输出电压的尖顶脉冲波形迅速下降, 而欠压状态下集 电极输出电压和过压、 临界相比, 输出集电极电压波形 脉冲下降幅度比较明显. 综上 3 种情况的对比可知, 当Ubm 的电压逐步增 大的过程中, 从放大器的工作状态可以看出, 满足工作 状态从欠压→临界→过压的工作特性, 从R1 输出的电 压脉冲波形可以看出, 满足了集电极电流从欠压→临 界的状态下, 电流脉冲宽度和高度均迅速增大的情况, 从临界→过压的情况下, 虽然集电极的脉冲宽度和高 度在增大, 但增长缓慢并出现凹陷部分. ( 下转第 115 页) 4 9 第2期徐宁, 等:"精品实验项目" 建设重在诠释经典和方法创新 诠释也是一种创新之举, 也是"精品实验项目" 建设的 要义之一. 参考文献( References) : [1] 朱玉华, 杨正宏. 建设精品实验项目 促进创新能力培养[J] . 实 验室研究与探索, 2008, 27( 1) : 7- 9, 25. [2] 张娴, 王士芬, 徐竟成. 建设精品实验项目 深化创新人才教育 [J] . 实验室研究与探索, 2011, 30( 11) : 87- 89. [3] 高英俊, 邓文, 吴伟明, 等. 打造精品实验课程 全面推进实验 教学示范中心建设[J] . 实验室研究与探索, 2006, 25 ( 11) : 1395- 1397, 1404. [4] 钱洁, 石嘉豪, 费俭. 模拟科研情境 开展研究型实验教学 [J] . 实验室研究与探索, 2010, 29( 1) : 132- 134. [5] 王晓岗, 朱仲良, 张荣华, 等. 化学精品实验项目的探索与实践 [J] . 实验技术与管理, 2011, 28( 2) : 117- 119. [6] 徐宁, 牟建明, 王玫, 等. 化工专业精品实验项目内涵设计的 实践与思考[ J]. 实验技术与管理, 2009, 26( 3) : 25- 26, 30. [7] 王士芬, 施鼎方, 唐贤春. 建立精品实验项目, 丰富实验教学形式 [J] . 实验技术与管理, 2008, 25( 6) : 146- 148. [8] 赵秀春, 徐国凯, 陈晓云. 汽车电子控制技术精品实验项目设计 与实践[ J]. 大连民族学院学报, 2010, 12( 5) : 497- 499. [9] 孟佳娜, 孙雪莲, 刘力军, 等."数据结构" 课程实验教学改革探讨 [J]. 大连民族学院学报, 2010, 12( 3) : 272- 273, 276. [ 10] 张朝勇, 周静南, 门小静. 工程项目管理沙盘综合性实训项目的 设计与实践[J] . 实验室研究与探索, 2011, 30( 11) : 142- 146. [ 11] 任伟德. 配备趣味性实验仪器的探讨[J]. 教学仪器与实验, 2011, 27( 12) : 46- 48. [ 12] 唐晓红, 韩春亮. 开设聚乙烯醇缩甲醛合成实验的实践与分析 [J]. 中国教育技术装备, 2011( 33) : 135- 136. [ 13] 王娜, 徐鲁雄. 计算机运用基础课程教学改革的探索与实践 [J]. 福建师范大学福清分校学报, 2011( 5) : 86- 90. [ 14] 马晓春. 通识教育理念融入实验教学改革的模式[J]. 实验室研 究与探索, 2009, 28( 12) : 119- 121. [ 15] 马晓春. 高等教育通识教育背景下实验教学改革的探索[J]. 实 验室科学, 2007( 6) : 26- 27. [ 16] 华洪波, 张利兵. 案例与实验教学法在大学数学通识课教学中的 应用[ J] . 考试周刊, 2011, 38: 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 73- 74. ( 上接第 94 页) ( a) R1 ( b) 集电极电压 图8欠压状态下输出电压波形 4 结语应用 Multisim 软件对高频谐振功率放大器进行虚 拟实验仿真分析.实验结果表明, 虚拟仿真和理论分 析及计算结果一致, 不但理论联系实际, 而且非常贴近 工程实践.将Multisim 软件应用于高频电子线路实验 教学, 免受实验教学内容和仪器设备的限制, 丰富了实 验教学内容, 拓宽了实验教学的空间, 激发了学生学习 的积极性, 提高了学生的创新意识. 参考文献( References) : [1] 胡伟, 李勇帆. 基于 multisim 的RC 文氏电桥振荡电路虚拟仿 真实验[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30( 5) : 13- 15. [2] 谭守标. 计算机虚拟技术在大学物理虚拟仿真实验教学系统中 的应用[ J]. 中国科学技术大学学报, 2005, 35( 3) : 429- 433. [3] 尚丽. 基于 Matlab /Simulink 和GUI 运动控制系统虚拟实验平 台设计[ J]. 实验室研究与探索, 2010, 29( 6) : 66- 71. [4] 胡宴如. 高频电子线路[M] . 北京: 高等教育出版社, 2010. [5] 黄瑞, 袁桂慈. 电子技术实验教学改革与创新[ J] . 实验技术与 管理, 2006, 23( 1) : 77- 79. [6] 张俊涛, 陈晓莉. 电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用 [J]. 实验技术与管理, 2007, 24( 6) : 83- 85. [7] 邓维礼. 基于 Multisim 的准静态电荷放大器仿真分析[J]. 国外 电子测量技术, 2009, 28( 4) : 24- 26. [8] 黄培根, 任清褒. . Multisim 10 计算机虚拟仿真实验室[M] . 北京: 电子工业出版社, 2008. [9] 从宏寿, 李绍明. 电子设计自动化— — —Multisim 在电子电路与单 片机中的应用[ M] . 北京: 清华大学出版社, 2008. [ 10] 陈跃华, 杜明茜, 向启荣. 基于计算机仿真技术的电子电路探索 性学习[ J]. 实验室研究与探索, 2007, 26( 9) : 49- 55. [ 11] 刘博文. 基于 Multisim 的抗干扰 AM 通信系统设计[J] . 河南农 业大学学报, 2011, 45( 4) : 460- 463. [ 12] 郝宁眉. 双极性晶体管温度特性的 Multisim 仿真研究 [J]. 仪器 仪表与传感器, 2010, 28( 4) : 24- 26. [ 13] 朱华光. Multisim 10 在模拟电路实验中的应用及研究 [J] . 现代 电子技术, 2009, 32( 15) : 192- 196. [ 14] 张俊涛, 陈晓莉. 电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用 [J]. 实验技术与管理, 2007, 24( 6) : 83- 85. [ 15] 余群. Multisim 进行电子电路设计的教学研究 [J]. 实验科学 与技术, 2007( 10) : 118- 120. 5 1 1
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