基于虚拟实验平台的模拟电子技术课程设计开发与仿真

摘要：基于模拟电子技术课程设计是电类专业学生重要实践环节的目的，通过介绍模拟电子系统的设计思路，结合音频信号发生器的设计实例，基于虚拟实验平台进行设计及仿真，得到了振荡器起振及等幅振荡过程的正确结果。使学生能够巩固和运用在《模拟电子技术》中所学的理论知识和实验技能，基本掌握常用模拟电路的一般设计方法，通过动脑动手解决实际问题，提高设计能力和动手能力，拓宽学生知识面，为后续课程、各类电子竞赛，毕业设计乃至毕业后的工作打下良好的基础。
关键词：模拟电子技术；课程设计；电子系统；仿真

    在大学开设的相关课程中，有不少电子技术方面的实验内容，但这些基础实验的着眼点是放在验证基本理论和电路性能上。学生通过这样的实验只能初步了解电路实验的步骤和基本方法，熟悉常用实验设备的使用方法，却很难有条件训练学生动手解决电路问题的能力。而模拟电子技术课程设计正是为学生创造一个动手又动脑，独立开展模拟电子系统设计的机会。学生可以运用实验手段检验理论设计中的问题所在，又可运用学过的知识，指导电路调试工作，使电路功能更加完善，从而使理论和实际有机地结合起来，锻炼分析并解决电路问题的实际本领，真正实现由知识向能力的转化。

1 模拟电子系统
    随着电子技术的发展，无论是在生产还是生活中，人们越来越多地使用一些模拟电子设备和装置，如：扩音机、录音机、示波器、正弦信号发生器、报警器、温控装置等。尽管用途不同，但从工作原理来看，有着共同之处：
    1)需要输入一种连续变化的电信号。这种连续变化的电信号称之为模拟信号，模拟信号可以由专门的部件(通常为传感器)把非电的物理量转换为电量，例如：话筒、磁头、热敏器件、光敏器件等。也有些设备无需这种转换，而是直接由探头输入或电路本身产生电信号，如示波器，信号源等。
    2)必须把得到的电信号进行放大或者变换。通过放大或变换，使信号具有足够大的能量，为实现人们所预期的功能服务。
    3)设置了不同的执行机构。执行机构能够把传来的电能转换成其他形式的能量，如喇叭、电铃、继电器、示波器、表头等，以完成人们需要的功能。
    模拟电子系统中，无论是传感器送来的电信号，还是直接输入或电路本身产生的电信号一般都是十分微弱的，往往不能推动执行机构工作，而且有时信号的波形也不符合执行机构的要求，所以需要对这种信号进行放大或者变换，才能保证执行机构的正常工作。可见，信号放大和信号变换是模拟电子系统的核心。
    随着生产工艺水平的提高，线性集成电路和各种具有专用功能的新型元器件迅速发展起来，给模拟电子系统设计工作带来了很大的变革。但是，从我国现有的条件来看，集成元件的生产，无论品种还是数量，还不能满足电子技术发展的需求，所以，分立元件的电路还在大量的应用。而这种分立件电路的设计方法，主要是运用基本单元电路的理论和分析方法，比较容易为初学设计者所掌握。另外，有助于学生熟悉各种电子器件，掌握电路的设计基本程序和方法，学会布线、组装、测量、分析、调试等基本技能。理论知识告诉我们，任何复杂的电路，都是由简单的单元电路组合而成的。所以，要设计一个复杂的模拟电子系统，可以分解为若干具有基本功能的电路，如放大器、振荡器、整流器、波形变换电路等，然后分别对这些单元电路进行设计。使一个复杂任务，变成简单任务，利用我们学过的知识即可完成。

2 虚拟实验平台在模拟电子系统设计中的应用
    电子系统的设计是一个不断调试的过程。在实物上调试往往消耗大量人力、物力和财力。而且受到实验环境的影响，某些功能未能全部实现。在实验硬件环境不具备的情况下，采用虚拟实验平台软件进行模拟电子系统的设计可有效解决这一问题。EDA(电子辅助设计)软件很多，广泛采用的有Multisim、PSPICE、PROTEL等。这些软件都有较强的功能，一般可用于电路设计与仿真，同时也可以进行PCB(印刷电路板)自动布局、布线，输出多种网表文件。其中，Multisim仿真软件相对其它EDA软件而言，功能卜分强大，可以仿真出真实电路的结果。而且提供了万用表、示波器、信号发生器、扫描仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具。它不仅继承了以往仿真软件具有的界面直观、操作方便、使用直观的虚拟仪表的优点，还将最新的安捷伦测试仪及泰克示波器等引入虚拟仪器中。其控制面板、界面操作以及测量结果与实际的仪器完全相同，用户使用Multisim10如同在实验室进行操作一般。这样就可以有效的解决实验条件不足的问题，并且可将集中进行的课程设计分散进行，便于老师的指导与调试。作为虚拟的电子工作平台，Multisim10提供了详细的电路分析手段，可完成电路的直流静态工作点分析、交流分析、瞬态分析等，有助于分析电路性能。

3 模拟电子系统设计实例——音频信号发生
    音频信号发生器是指能够产生音频范围的正弦信号的仪器。音频信号的频率范围一般是几十到几十kHz，音频信号发生器是模拟电子线路实验中不可缺少的设备之一，在实践和科技领域有着广泛的应用，如电子电路、自动控制和科学实验等领域。自行设计和制作一个能产生音频信号的电路，不仅能运用所学知识，学会设计简单电路的技能，而且对电子技术实验有着很大的实用价值。
3．1 方案比较
    一般要产生几十kHz以下的正弦信号，常用的信号发生器多是由模拟电路构成的，包括正弦波振荡器和稳幅电路两大模块。其中正弦波振荡器有LC振荡器，石英晶体振荡器，RC振荡器。LC振荡器用于产生1 MHz以上的正弦信号，RC振荡器用于产生1 MHz以下的正弦信号，石英晶体振荡器用于产生频稳度较高的正弦信号。
    经性能比较，RC振荡器较为合适。RC振荡器可分为相移式振荡电路，串并联选频网络振荡电路，双T选频网络振荡电路等。其中RC串并联网络振荡电路由放大器和正反馈网络两部分组成，由于能得到频率范围较宽、波形较好，且连续可调的振荡信号，其结构简单又经济方便，因此应用最为普遍。因为这种振荡器，选频网络和负反馈电路正好形成一个四臂电桥振荡器，又被称为文氏电桥。用有恒流源负载的射极输出器，设计出频率范围在200 Hz-20 kHz，电压输出<±3 dB，输出电压>2 V并且连续可调的信号发生器。
3．2 系统设计
3．2．1 放大电路的设计
    放大环节是振荡电路的核心。它的放大倍数和频率响应直接影响着起振条件和振荡器的稳定性。为了保证具有较高的开环增益，较好的频率响应，本设计中选用了LM324AJ集成运放作放大环节。它是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。本电路采用内部补偿，电路比较简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设计了完善的保护电路，不易损坏。
3．2．2 稳幅电路的设计
    稳幅的基本原理就是把信号放大要足够大，再通过限幅方式保证输出幅度一致，如果限幅后的信号不满足要求，则再通过信号调整电路来输出满足要求的等幅信号。用双向稳压二极管稳幅是最简单的方式。本设计中由于电源电压的波动、电路参数的变化、环境温度的变化等因素的影响，将使输出幅度不稳定。采用一般的电阻引入负反馈稳幅还不够，常用方法之一是采用非线性热敏元件来稳幅。如负温度系数的热敏电阻，就可实现稳幅。
3．2．3 选频网络及正反馈网络的设计
    正反馈电路主要是由文氏电桥组成。当振荡器稳定工作时，文氏桥正反馈系数F=1／3要保证电路稳定工作。
    振荡器的振荡频率主要由RC值决定的。本设计要求f=200 Hz～20 kHz，当确定C后，改变R值从最小到最大，应满足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的频率范围。若低频端达不到阻值。若高频率达不到要求，则可适当减小串联电阻680 Ω的阻值。当选定C后，应通过改变R实现频率调节。R的最小值受运放输出阻抗控制，最大值受分压器的值限制。当选用双连电位器来调节频率时，其上下频率范围如果选的频率覆盖太宽，不仅受上述电阻值限制，而且调节也不方便。本题中可选取两个电容值作为粗调，再求出R的变化范围，用电位器实现细调。正弦波振荡器的振荡频率为。
    此处选取C为0．1μF时，分别求出对应f在200Hz～2 kHz；2～20 kHz的电阻值。
   
    选取680Ω电阻同8．2 kΩ双连电位器串联实现电阻调节。
3．2．4 电路原理图及参数
    电路原理图如图1所示，电路参数如表1所示。

3．3 系统仿真与调试
3．3．1 振荡器电路粗调
    振荡电路如果设计和安装无误，接通电源即应起振。C3输出端可以得到正弦信号，若无震荡波形，一般有2个原因：一是无正反馈，二是闭环放大倍数小。首先检查正反馈支路是否接通，元件是否连接正确。然后则可增大R1，提高闭环增益。若仍不起振，则应检查运算放大器性能是否正常。如果增大R1后电路起振，说明负反馈太大，可适当加大R1使振荡波形稳定。正常情况下，改变R1能控制输出幅度，调节双连电位器能改变频率，并且波形无明显失真。
    振荡电路基本上正常工作后，测试射极输出器静态工作点是否与设计值相符。T2、T3均应处在导通状态，VCQ3=8 V，若有偏离可适当调节R6。静态调好后，连通C3，输出端应有完好的正弦波形。若出现波形失真，说明射极输出器静态工作不适合，需要重新调试。
3．3．2 振荡频率调节
    振荡器的频率主要由RC值决定的。当确定C后，改变R值从最小到最大，应满足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的频率范围。若低频端达不到要求，说明R4+R5对Rmax的旁路作用大，应适当加大R4+R5的阻值。若高频率达不到要求，则可适当减小串联电阻680 Ω的阻值。
3．3．3 调节幅频特性
    一个性能良好的振荡器一定要有好的幅频特性。即在调节振荡频率时，输出电压的幅度保持不变。若随着振荡频率的改变，输出幅度有些变化时，可能有以下几方面原因：
    1)双连电位器不能严格同步。如果在调节电位器时，在不同的角度，2个阻值不相等，即文氏电桥中串联网络中电阻R和并联网络中的R不相等，使其传输系数，正反馈加强，输出幅度Vopp加大；若，正馈减弱，输出幅度Vopp减小。因此，幅频特性变差。可见，一定要选择能严格同步改变阻值的双连电位器。
    2)放大环节高频特性不好。首先运算放大器高频特性不好，就会随频率的升高，使Vopp减小。另外，运算放大器输入电容太大，当f= fmax时，由于这一电容的旁路作用，使正反馈减弱，从而使高频时Vopp降低，所以在选择运算放大器时，一定要保证高频特性好，同时要输入电容小的器件。
    3)R4+R5阻值不够大。R4+R5应当选大于串并联网路中的阻值最大值。这样才可以忽略其对网络旁路作用，尤其随着振荡频率下降，R值较大时，R4、R5旁路作用严重。所以文式电桥传输系数使输出幅度随频率下降而上升。此时，应R4+R5尽量大一些。
    4)调节输出幅度和波形输出幅的VOPP主要由场效应管偏压VGS和检波二极管正向压降以及分压电阻R2、R3来决定。从可知，当VD，|VGS|确定后，提高输出幅度可适当减小分压比。若R2、R3以及VD确定了，只好适当选取零漂移点偏压较大的场效应管。
    波形非线性失真的大小，通常与倍压检波输出的纹波大小和场效应管IDS～VDS曲线是否对原点对称等因素有关。为降低振荡波形的失真度，应适当加大检波器的时间常数，选择IDS～VDS比较理想的场效应管。同时还要注意选择转换速率SK较高，高频响应较好的运算放大器，以便减小高频时信号的非线性失真。如果输出幅度Vopp太大，还会因运算放大器或射极输出的动态范围不够而产生切波失真。此时，应注意减轻负载或减小输出幅度。
    利用Multisim软件进行仿真分析，通过改变参数，得到需要的音频信号。电路的起振过程及等幅振荡过程如图2和图3所示。

4 结束语
    基于虚拟实验平台设计的音频信号发生器能够得到频率范围较宽、波形较好，稳定度较高，而且振荡频率连续可调，更加实用。由于Multisim实用性强、界面简捷，同时又具有电路仿真速度更快，界面更加合理等优点，是在校大学生进行模拟电子技术课程设计的有力工具。通过这种综合训练，学生可以初步掌握电子系统设计的基本方法，也能够提高动手组织实验的基本技能，为以后进行毕业设计打下良好
的基础。