基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與仿真

摘要：基于模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是電類(lèi)專業(yè)學(xué)生重要實(shí)踐環(huán)節(jié)的目的，通過(guò)介紹模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合音頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)例，基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真，得到了振蕩器起振及等幅振蕩過(guò)程的正確結(jié)果。使學(xué)生能夠鞏固和運(yùn)用在《模擬電子技術(shù)》中所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，基本掌握常用模擬電路的一般設(shè)計(jì)方法，通過(guò)動(dòng)腦動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力，拓寬學(xué)生知識(shí)面，為后續(xù)課程、各類(lèi)電子競(jìng)賽，畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至畢業(yè)后的工作打下良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù)；課程設(shè)計(jì)；電子系統(tǒng)；仿真

    在大學(xué)開(kāi)設(shè)的相關(guān)課程中，有不少電子技術(shù)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的著眼點(diǎn)是放在驗(yàn)證基本理論和電路性能上。學(xué)生通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)只能初步了解電路實(shí)驗(yàn)的步驟和基本方法，熟悉常用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用方法，卻很難有條件訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手解決電路問(wèn)題的能力。而模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)正是為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)手又動(dòng)腦，獨(dú)立開(kāi)展模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。學(xué)生可以運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)中的問(wèn)題所在，又可運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，指導(dǎo)電路調(diào)試工作，使電路功能更加完善，從而使理論和實(shí)際有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，鍛煉分析并解決電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，真正實(shí)現(xiàn)由知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。

1 模擬電子系統(tǒng)
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是在生產(chǎn)還是生活中，人們?cè)絹?lái)越多地使用一些模擬電子設(shè)備和裝置，如：擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)、示波器、正弦信號(hào)發(fā)生器、報(bào)警器、溫控裝置等。盡管用途不同，但從工作原理來(lái)看，有著共同之處：
    1)需要輸入一種連續(xù)變化的電信號(hào)。這種連續(xù)變化的電信號(hào)稱之為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)可以由專門(mén)的部件(通常為傳感器)把非電的物理量轉(zhuǎn)換為電量，例如：話筒、磁頭、熱敏器件、光敏器件等。也有些設(shè)備無(wú)需這種轉(zhuǎn)換，而是直接由探頭輸入或電路本身產(chǎn)生電信號(hào)，如示波器，信號(hào)源等。
    2)必須把得到的電信號(hào)進(jìn)行放大或者變換。通過(guò)放大或變換，使信號(hào)具有足夠大的能量，為實(shí)現(xiàn)人們所預(yù)期的功能服務(wù)。
    3)設(shè)置了不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠把傳來(lái)的電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，如喇叭、電鈴、繼電器、示波器、表頭等，以完成人們需要的功能。
    模擬電子系統(tǒng)中，無(wú)論是傳感器送來(lái)的電信號(hào)，還是直接輸入或電路本身產(chǎn)生的電信號(hào)一般都是十分微弱的，往往不能推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，而且有時(shí)信號(hào)的波形也不符合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，所以需要對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行放大或者變換，才能保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作。可見(jiàn)，信號(hào)放大和信號(hào)變換是模擬電子系統(tǒng)的核心。
    隨著生產(chǎn)工藝水平的提高，線性集成電路和各種具有專用功能的新型元器件迅速發(fā)展起來(lái)，給模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了很大的變革。但是，從我國(guó)現(xiàn)有的條件來(lái)看，集成元件的生產(chǎn)，無(wú)論品種還是數(shù)量，還不能滿足電子技術(shù)發(fā)展的需求，所以，分立元件的電路還在大量的應(yīng)用。而這種分立件電路的設(shè)計(jì)方法，主要是運(yùn)用基本單元電路的理論和分析方法，比較容易為初學(xué)設(shè)計(jì)者所掌握。另外，有助于學(xué)生熟悉各種電子器件，掌握電路的設(shè)計(jì)基本程序和方法，學(xué)會(huì)布線、組裝、測(cè)量、分析、調(diào)試等基本技能。理論知識(shí)告訴我們，任何復(fù)雜的電路，都是由簡(jiǎn)單的單元電路組合而成的。所以，要設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的模擬電子系統(tǒng)，可以分解為若干具有基本功能的電路，如放大器、振蕩器、整流器、波形變換電路等，然后分別對(duì)這些單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。使一個(gè)復(fù)雜任務(wù)，變成簡(jiǎn)單任務(wù)，利用我們學(xué)過(guò)的知識(shí)即可完成。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
    電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷調(diào)試的過(guò)程。在實(shí)物上調(diào)試往往消耗大量人力、物力和財(cái)力。而且受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，某些功能未能全部實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境不具備的情況下，采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件進(jìn)行模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可有效解決這一問(wèn)題。EDA(電子輔助設(shè)計(jì))軟件很多，廣泛采用的有Multisim、PSPICE、PROTEL等。這些軟件都有較強(qiáng)的功能，一般可用于電路設(shè)計(jì)與仿真，同時(shí)也可以進(jìn)行PCB(印刷電路板)自動(dòng)布局、布線，輸出多種網(wǎng)表文件。其中，Multisim仿真軟件相對(duì)其它EDA軟件而言，功能卜分強(qiáng)大，可以仿真出真實(shí)電路的結(jié)果。而且提供了萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃描儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具。它不僅繼承了以往仿真軟件具有的界面直觀、操作方便、使用直觀的虛擬儀表的優(yōu)點(diǎn)，還將最新的安捷倫測(cè)試儀及泰克示波器等引入虛擬儀器中。其控制面板、界面操作以及測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的儀器完全相同，用戶使用Multisim10如同在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作一般。這樣就可以有效的解決實(shí)驗(yàn)條件不足的問(wèn)題，并且可將集中進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)分散進(jìn)行，便于老師的指導(dǎo)與調(diào)試。作為虛擬的電子工作平臺(tái)，Multisim10提供了詳細(xì)的電路分析手段，可完成電路的直流靜態(tài)工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析等，有助于分析電路性能。

3 模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例——音頻信號(hào)發(fā)生
    音頻信號(hào)發(fā)生器是指能夠產(chǎn)生音頻范圍的正弦信號(hào)的儀器。音頻信號(hào)的頻率范圍一般是幾十到幾十kHz，音頻信號(hào)發(fā)生器是模擬電子線路實(shí)驗(yàn)中不可缺少的設(shè)備之一，在實(shí)踐和科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。自行設(shè)計(jì)和制作一個(gè)能產(chǎn)生音頻信號(hào)的電路，不僅能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路的技能，而且對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)有著很大的實(shí)用價(jià)值。
3．1 方案比較
    一般要產(chǎn)生幾十kHz以下的正弦信號(hào)，常用的信號(hào)發(fā)生器多是由模擬電路構(gòu)成的，包括正弦波振蕩器和穩(wěn)幅電路兩大模塊。其中正弦波振蕩器有LC振蕩器，石英晶體振蕩器，RC振蕩器。LC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以上的正弦信號(hào)，RC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以下的正弦信號(hào)，石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生頻穩(wěn)度較高的正弦信號(hào)。
    經(jīng)性能比較，RC振蕩器較為合適。RC振蕩器可分為相移式振蕩電路，串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路，雙T選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路等。其中RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路由放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，由于能得到頻率范圍較寬、波形較好，且連續(xù)可調(diào)的振蕩信號(hào)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)方便，因此應(yīng)用最為普遍。因?yàn)檫@種振蕩器，選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路正好形成一個(gè)四臂電橋振蕩器，又被稱為文氏電橋。用有恒流源負(fù)載的射極輸出器，設(shè)計(jì)出頻率范圍在200 Hz-20 kHz，電壓輸出<±3 dB，輸出電壓>2 V并且連續(xù)可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器。
3．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．2．1 放大電路的設(shè)計(jì)
    放大環(huán)節(jié)是振蕩電路的核心。它的放大倍數(shù)和頻率響應(yīng)直接影響著起振條件和振蕩器的穩(wěn)定性。為了保證具有較高的開(kāi)環(huán)增益，較好的頻率響應(yīng)，本設(shè)計(jì)中選用了LM324AJ集成運(yùn)放作放大環(huán)節(jié)。它是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運(yùn)算放大器。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級(jí)放大就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補(bǔ)償，電路比較簡(jiǎn)單不易自激，工作點(diǎn)穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)電路，不易損壞。
3．2．2 穩(wěn)幅電路的設(shè)計(jì)
    穩(wěn)幅的基本原理就是把信號(hào)放大要足夠大，再通過(guò)限幅方式保證輸出幅度一致，如果限幅后的信號(hào)不滿足要求，則再通過(guò)信號(hào)調(diào)整電路來(lái)輸出滿足要求的等幅信號(hào)。用雙向穩(wěn)壓二極管穩(wěn)幅是最簡(jiǎn)單的方式。本設(shè)計(jì)中由于電源電壓的波動(dòng)、電路參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，將使輸出幅度不穩(wěn)定。采用一般的電阻引入負(fù)反饋穩(wěn)幅還不夠，常用方法之一是采用非線性熱敏元件來(lái)穩(wěn)幅。如負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。
3．2．3 選頻網(wǎng)絡(luò)及正反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
    正反饋電路主要是由文氏電橋組成。當(dāng)振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，文氏橋正反饋系數(shù)F=1／3要保證電路穩(wěn)定工作。
    振蕩器的振蕩頻率主要由RC值決定的。本設(shè)計(jì)要求f=200 Hz～20 kHz，當(dāng)確定C后，改變R值從最小到最大，應(yīng)滿足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達(dá)不到阻值。若高頻率達(dá)不到要求，則可適當(dāng)減小串聯(lián)電阻680 Ω的阻值。當(dāng)選定C后，應(yīng)通過(guò)改變R實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。R的最小值受運(yùn)放輸出阻抗控制，最大值受分壓器的值限制。當(dāng)選用雙連電位器來(lái)調(diào)節(jié)頻率時(shí)，其上下頻率范圍如果選的頻率覆蓋太寬，不僅受上述電阻值限制，而且調(diào)節(jié)也不方便。本題中可選取兩個(gè)電容值作為粗調(diào)，再求出R的變化范圍，用電位器實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)。正弦波振蕩器的振蕩頻率為。
    此處選取C為0．1μF時(shí)，分別求出對(duì)應(yīng)f在200Hz～2 kHz；2～20 kHz的電阻值。
   
    選取680Ω電阻同8．2 kΩ雙連電位器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)電阻調(diào)節(jié)。
3．2．4 電路原理圖及參數(shù)
    電路原理圖如圖1所示，電路參數(shù)如表1所示。

3．3 系統(tǒng)仿真與調(diào)試
3．3．1 振蕩器電路粗調(diào)
    振蕩電路如果設(shè)計(jì)和安裝無(wú)誤，接通電源即應(yīng)起振。C3輸出端可以得到正弦信號(hào)，若無(wú)震蕩波形，一般有2個(gè)原因：一是無(wú)正反饋，二是閉環(huán)放大倍數(shù)小。首先檢查正反饋支路是否接通，元件是否連接正確。然后則可增大R1，提高閉環(huán)增益。若仍不起振，則應(yīng)檢查運(yùn)算放大器性能是否正常。如果增大R1后電路起振，說(shuō)明負(fù)反饋太大，可適當(dāng)加大R1使振蕩波形穩(wěn)定。正常情況下，改變R1能控制輸出幅度，調(diào)節(jié)雙連電位器能改變頻率，并且波形無(wú)明顯失真。
    振蕩電路基本上正常工作后，測(cè)試射極輸出器靜態(tài)工作點(diǎn)是否與設(shè)計(jì)值相符。T2、T3均應(yīng)處在導(dǎo)通狀態(tài)，VCQ3=8 V，若有偏離可適當(dāng)調(diào)節(jié)R6。靜態(tài)調(diào)好后，連通C3，輸出端應(yīng)有完好的正弦波形。若出現(xiàn)波形失真，說(shuō)明射極輸出器靜態(tài)工作不適合，需要重新調(diào)試。
3．3．2 振蕩頻率調(diào)節(jié)
    振蕩器的頻率主要由RC值決定的。當(dāng)確定C后，改變R值從最小到最大，應(yīng)滿足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達(dá)不到要求，說(shuō)明R4+R5對(duì)Rmax的旁路作用大，應(yīng)適當(dāng)加大R4+R5的阻值。若高頻率達(dá)不到要求，則可適當(dāng)減小串聯(lián)電阻680 Ω的阻值。
3．3．3 調(diào)節(jié)幅頻特性
    一個(gè)性能良好的振蕩器一定要有好的幅頻特性。即在調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，輸出電壓的幅度保持不變。若隨著振蕩頻率的改變，輸出幅度有些變化時(shí)，可能有以下幾方面原因：
    1)雙連電位器不能?chē)?yán)格同步。如果在調(diào)節(jié)電位器時(shí)，在不同的角度，2個(gè)阻值不相等，即文氏電橋中串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中電阻R和并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的R不相等，使其傳輸系數(shù)，正反饋加強(qiáng)，輸出幅度Vopp加大；若，正饋減弱，輸出幅度Vopp減小。因此，幅頻特性變差。可見(jiàn)，一定要選擇能?chē)?yán)格同步改變阻值的雙連電位器。
    2)放大環(huán)節(jié)高頻特性不好。首先運(yùn)算放大器高頻特性不好，就會(huì)隨頻率的升高，使Vopp減小。另外，運(yùn)算放大器輸入電容太大，當(dāng)f= fmax時(shí)，由于這一電容的旁路作用，使正反饋減弱，從而使高頻時(shí)Vopp降低，所以在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，一定要保證高頻特性好，同時(shí)要輸入電容小的器件。
    3)R4+R5阻值不夠大。R4+R5應(yīng)當(dāng)選大于串并聯(lián)網(wǎng)路中的阻值最大值。這樣才可以忽略其對(duì)網(wǎng)絡(luò)旁路作用，尤其隨著振蕩頻率下降，R值較大時(shí)，R4、R5旁路作用嚴(yán)重。所以文式電橋傳輸系數(shù)使輸出幅度隨頻率下降而上升。此時(shí)，應(yīng)R4+R5盡量大一些。
    4)調(diào)節(jié)輸出幅度和波形輸出幅的VOPP主要由場(chǎng)效應(yīng)管偏壓VGS和檢波二極管正向壓降以及分壓電阻R2、R3來(lái)決定。從可知，當(dāng)VD，|VGS|確定后，提高輸出幅度可適當(dāng)減小分壓比。若R2、R3以及VD確定了，只好適當(dāng)選取零漂移點(diǎn)偏壓較大的場(chǎng)效應(yīng)管。
    波形非線性失真的大小，通常與倍壓檢波輸出的紋波大小和場(chǎng)效應(yīng)管IDS～VDS曲線是否對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱等因素有關(guān)。為降低振蕩波形的失真度，應(yīng)適當(dāng)加大檢波器的時(shí)間常數(shù)，選擇IDS～VDS比較理想的場(chǎng)效應(yīng)管。同時(shí)還要注意選擇轉(zhuǎn)換速率SK較高，高頻響應(yīng)較好的運(yùn)算放大器，以便減小高頻時(shí)信號(hào)的非線性失真。如果輸出幅度Vopp太大，還會(huì)因運(yùn)算放大器或射極輸出的動(dòng)態(tài)范圍不夠而產(chǎn)生切波失真。此時(shí)，應(yīng)注意減輕負(fù)載或減小輸出幅度。
    利用Multisim軟件進(jìn)行仿真分析，通過(guò)改變參數(shù)，得到需要的音頻信號(hào)。電路的起振過(guò)程及等幅振蕩過(guò)程如圖2和圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)發(fā)生器能夠得到頻率范圍較寬、波形較好，穩(wěn)定度較高，而且振蕩頻率連續(xù)可調(diào)，更加實(shí)用。由于Multisim實(shí)用性強(qiáng)、界面簡(jiǎn)捷，同時(shí)又具有電路仿真速度更快，界面更加合理等優(yōu)點(diǎn)，是在校大學(xué)生進(jìn)行模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的有力工具。通過(guò)這種綜合訓(xùn)練，學(xué)生可以初步掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，也能夠提高動(dòng)手組織實(shí)驗(yàn)的基本技能，為以后進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好
的基礎(chǔ)。