摘 要:Multisim 10是实现计算机现代化仿真软件,是实现电子设计自动化的有机载体,是实现教学理论和动手能力相协调的有效手段。通过理论教学中RF电路设计的理论分析,阐述了RF电路设计原理,并利用Multism10软件中的网络分析仪进行虚拟的设计与仿真。通过虚拟实验的方法验证了理论分析的结果表明Multism10仿真在辅助理论教学和实践教学中,可以实现理论及其实验结果的方便准确快捷的统一。关键词:Multisim 10; 电子线路仿真; RF电路; 最大功率传输
中图分类号:TN710-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)18-0172-04
Application of Multisim10 in RF Electronic Experiment Teaching
LI Song-song1, LI Xiang1, GAO Xiao-ye2
(1.School of Information Engineering, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 2.Dalian Vocational & Technical College, Dalian 116035, China)
Abstract: Multisim10 is a software of modern computer simulation, is organic carrier of electronic design automation, and is an effective means of theory and practical ability in teaching. Through theoretical analysis of RF circuit, the RF circuit design principles are described and the network analyzer is used to simulate in Multism10. The theoretical analysis is verified by virtual experiments, the results of simulation show Multism10 is more flexible, exact and quick in assist teaching and practice in teaching.Keywords: Multisim10; electronic circuit simulation; RF circuit; maximum power transfer
0 引 言
随着教育改革的不断深入,教育技术现代化,教学手段现代化已成为我国教育改革所面临的十分重要的课题。其中电子线路EDA技术的发展,正是弥补目前我国各院校电子学实验室的条件不足,特别是新器件,新设备价格昂贵时,而开设一些内容更新颖、具时代意义的创新型、设计型以及综合型实验而设置的[1]。同时,对于具备条件的实验,正是对理论联系实际的检验,对满足现代电子领域对高校培养具有高层次专业技术人才的需求提供了一定程度上的保障。
1 Multisim 10软件简介
利用Multisiml0可以实现计算机仿真设计与虚拟实验,与传统的电子电路设计与实验方法相比,具有如下特点:设计与实验可以同步进行,可以边设计边实验,修改调试方便;设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全,可以完成各种类型的电路设计与实验;可方便地对电路参数进行测试和分析;可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图;实验中不消耗实际的元器件,实验所需元器件的种类和数量不受限制,实验成本低,实验速度快,效率高;设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
Multisim 10还可以应用到日常课堂的演示教学中,它可以制作在课件中,对于所讲述电路的各种参数进行即时分析,可以生动在投影上模拟各种实验的结果,具有极佳的演示效果,提高电子技术开发中心系列课程的趣味性和直观性[2-4]。
Multisim 10提供了16 000多个高品质的模拟、数字元器件和RF组件模型,另外用户还可以自行编辑和设计相应的元器件。Multisim 10不仅提供了电路的多种仿真分析方法,如直流扫描分析,参数扫描分析,交流频率特性分析,瞬态分析,傅里叶分析,后处理器功能等,而且提供了2个仪表和多台仪器,仪表有:电压表、电流表;常用的仪器有:数字万用表,函数信号发生器,示波器,逻辑分析仪和逻辑转换仪等。同时,应用Multisim 10可以进行模拟电路、数字电路、模数混合以及射频电路的仿真。其中,它的高频仿真和设计环境是众多通用电路仿真软件所不具备的[5]。
2 射频理论
目前,包括大学生电子技术设计大赛在内的很多知名赛事,都把无线收发作为一个重点的研究方向,而各个高校都有开设类似的课程和实习作为培训学生得一项基本内容。这都是由于RF电路自身特点的主要用于无线电通信系统的发射装置和接收装置的研究中。所以随着信息技术的发展,对各种发射、接收装置的要求越来越高。RF电路的性能好坏,将直接关系到通信的质量。尤其是RF频段中的微波波段,其频率高、频带宽的特点,使其很适用于作为大容量通信的载波,来传输多路电报、电话和电视信号[6]。
射频技术RF(radio frequency)的基本原理是电磁理论,指的是从音频以上至可见光频率的整个频段,其范围约为16 Hz~20 kHz。可见光波段在微波波段以上,所以RF的范围大约为20 kHz~3 000 GHz,其中包括微波波段。总的来说,RF频段的频率很高。射频系统的优点是不局限于视线,识别距离比光学系统远,射频识别卡可具有读写能力,可携带大量数据,难以伪造,且有智能[7]。
近年来,便携式数据终端(PDT)的应用多了起来,PDT可把那些采集到的有用数据存储起来或传送至一个管理信息系统。便携式数据终端一般包括一个扫描器、一个体积小但功能很强并带有存储器的计算机、一个显示器和供人工输入的键盘。在只读存储器中装有常驻内存的操作系统,用于控制数据的采集和传送。
PDT存储器中的数据可随时通过射频通信技术传送到主计算机。操作时先扫描位置标签,货架号码、产品数量就都输入到PDT,再通过RF技术把这些数据传送到计算机管理系统,可以得到客户产品清单、发票、发运标签、该地所存产品代码和数量等,这些研究领域对于电子信息类专业的学生来讲,都是实践理论的研究课题。
根据射频理论,它与一般的低频电路相比较,有其自身的特点,主要包括以下几点:
(1) 大量使用调谐网络:这些网络不仅提供调谐到所要求的工作频率,同时还使晶体管特性与输入和输出阻抗匹配。因此,调谐网络设计的好坏,将直接关系到RF电路的性能。
(2) 需考虑阻抗匹配问题:在RF电路中,处理信号的不同部件被安置在相距有一定距离的地方。这个距离往往和被传输信号的波长可以相比拟。将它们连起来时,必须考虑到阻抗匹配。
(3) 不同频段使用的元件不同:RF频带宽,包括长波、中波及短波、超短波和微波。从使用的元件、器件及线路结构与工作原理等方面来说,中波、短波和米波波段基本相同,但它们和微波波段则有明显的区别。前者大都采用集中参数元件,如:通常的电阻器、电容器和电感线圈;后者则采用分布参数元件,如:同轴线和波导等。在器件方面,中、短波和米波主要采用晶体管、集成电路及电子管,而微波除上述器件外,还需特殊的微波器件,如:微波二极管、速调管、行波管及磁控管等。
3 Multisim 10软件及其在射频领域模块技术
随着电子通信技术的发展,RF电路的开发研究吸引了众多电子设计工程师。Multisim 10射频模块可以提供基本的射频电路所需的设计。分析和仿真射频电路的功能。Multisim 10的射频模块由RF-Specific(射频特殊元件,包括自定义的RF SPICE模型)。用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器。
在Multisim 10中,标准的RF元件包括电容、电感、环行线、耦合器、传输线、波导以及有源器件等。在RF设计中,该模块包含了大约100多个元件和元件模型,这些模型都可以在高频下准确工作而设计的,克服了SPICE模型中在高频时候工作不稳定的问题。
元件在电子学领域中可以分成两类:集中式和分布式元件。当λ=c/f时,集中式元件的尺寸小于波长,在这种情况下,电压波长和电流波长运行时比元件自身大很多,欧姆定律在此时有效。另一方面,大部分的分布式对象中电压相位和电流相位的改变远超过器件的物理扩展,因为器件的尺寸都是类似的,某些时候甚至大于波长。因此常规的电路理论已经不适用工作在MHz到GHz之间的频率电路中。射频元件存在寄生效应,与用于低频状态的模型有所不同。射频模型使用的电容和电感都在高频工作状态下,两节点之间连接发生的行为和低频工作状态下两节点连接发生的行为是不同的。在PCB上执行这些行为时,将表现传输线的形式。电路板本身将变成电阻的一部分,会干涉到电路的正常工作。这就是EDA工具中可行的低频电路仿真在高频电路中却变得不可行的原因[8]。
4 基于Multisim 10的射频电路设计
高频电路的设计通常有别于低频电路,射频设计的主要工作就是设计好输入输出阻抗、功率增益、噪声分析以及问点因数的参数性能。高频电路可以被理想化成为一个双端口网络,为了恰当的使用网络分析仪,电路的输入端、输出端必须断开,在仿真期间,网络分析仪可以通过插入子电路完成对电路的分析。
对于设计一个简单的直流偏置,重要的是晶体管的性能和放大器的静态工作点。应用Multisim 10设计一个最大功率传输放大器,首先应选择射频功率管,由于在相对较高的频率上有低功率和低噪声的优势,这里选择MRF927T1,从元件库中选择该元件并将其放在电路中[9-10]。
为了配合低频电子线路相关课程的内容,选择静态工作点,静态工作点表现为Vce和Ic。Vce通常要小于VCC,并且通常在集电极-发射极之间的最大摆幅为VCC/2,因此,选择Vce=3 V和Vcc=9 V。而Ie近似于Ic,晶体管的集电极耗散功率为Ic×Vce。为了达到较好的频带增益和电压增益,这里设置Ic=3 mA。
同时,设定Vbe=0.7 V,β=100计算如下:
Rc=Vcc-VceIc=9-33×10-3=2 kΩ
Ib=Icβ=3×10-3100=3 μA
Rb=Vcc-VbeIb=9-0.73×10-6=277 kΩ
设计完静态工作点之后,就可以在Multisim 10下进行仿真,设置Rb=277 kΩ和Rc=2 kΩ,绘制电路如图1所示。
图1 最初设计的偏置电路
在低频电子线路的教学中,学生已经掌握对静态工作点的直流分析,而Multisim 10软件自带有直流工作点分析语句,可以直接设置选择基极和集电极工作节点。通过仿真,可以得到Vce=3.33 V和Vbe=0.8 V,当修改以上这两个值以满足静态工作点的需要,经过实验得到,当Rb=258 kΩ和Rc=2 kΩ时,近似得到Vce=3.00 V和Vbe=0.80 V,这时有:
β=IcIb=(Vcc-Vce)/Rc(Vcc-Vbe)/Rb
=(9-3.00)/(2×103)(9-0.80)/(258×103)
=94.39
此时,β比较接近设定值,可以应用到此次实验中。对于信号源,假定使用信号源的中心频率为3.02 GHz,设置偏置网络,连接两个电容到网络分析仪,如图2所示。
对于一个连接好网络分析仪的电路,可以进行双端口测量,以及测量传输参数。Multisim 10软件自带有网络分析仪。网络分析仪主要测量信号所包含的频率和频率所对应的幅度。对于RF系统来说,可以应用到调制波的以及载波信息的失真。Multisim 10中的网络分析仪所模拟的是实际中Agilent公司生产的HP8751A和HP8753E两款网络分析仪,可以方便的测量S、H、Y、Z四种参数,并且是高频最常用的仪器之一。连接好电路打开网络分析仪界面,如图3所示。
图2 连接入网络分析仪的电路
图3 图2的网络分析仪界面
对于一个无源负载条件下不会产生振荡的电路稳定可以称为“无条件稳定”,这时可以使用阻抗匹配器自动改变RF放大器的结构以便获得最大增益阻抗。
为了获得放大器以及源阻抗之间的最大匹配,必须要求放大器的输入和输出端口之间的阻抗匹配最大。这种阻抗匹配电路提供的最大功率传输适用于非常窄的频带,对于选频网络特别适合。图2的网络自动匹配结果如图4所示。
图4 图2的网络自动匹配的结果
应用图4所得到的网络参数,加入到原始电路图中,所得电路图如图5所示。
图5 最终设计的RF电路
5 结 语
无论是高频还是低频电子线路课程是 电子信息类学生必修的课程,它不但要求学生掌握电路的基本原理和计算方法,更重要的是培养学生对电路的分析、设计和创新能力,因此实验教学在整个教学过程中成为不可缺少的一部分。
因此,利用Multisim 10进行射频电路设计型实验教学,改变了利用电子元器件、仪器等物质手段的传统设计型实验教学模式,从而更好地培养学生的实验技能、提高学生的电路设计能力和设计周期,培养学生的科学作风和创新精神,为以后从事电子技术方面的工作打下良好的基础。
参考文献
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