基于虛擬實(shí)驗平臺的模擬電子技術(shù)課程設計開(kāi)發(fā)與仿

摘要：基于模擬電子技術(shù)課程設計是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生重要實(shí)踐環(huán)節的目的，通過(guò)介紹模擬電子系統的設計思路，結合音頻信號發(fā)生器的設計實(shí)例，基于虛擬實(shí)驗平臺進(jìn)行設計及仿真，得到了振蕩器起振及等幅振蕩過(guò)程的正確結果。使學(xué)生能夠鞏固和運用在《模擬電子技術(shù)》中所學(xué)的理論知識和實(shí)驗技能，基本掌握常用模擬電路的一般設計方法，通過(guò)動(dòng)腦動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題，提高設計能力和動(dòng)手能力，拓寬學(xué)生知識面，為后續課程、各類(lèi)電子競賽，畢業(yè)設計乃至畢業(yè)后的工作打下良好的基礎。
關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù)；課程設計；電子系統；仿真

在大學(xué)開(kāi)設的相關(guān)課程中，有不少電子技術(shù)方面的實(shí)驗內容，但這些基礎實(shí)驗的著(zhù)眼點(diǎn)是放在驗證基本理論和電路性能上。學(xué)生通過(guò)這樣的實(shí)驗只能初步了解電路實(shí)驗的步驟和基本方法，熟悉常用實(shí)驗設備的使用方法，卻很難有條件訓練學(xué)生動(dòng)手解決電路問(wèn)題的能力。而模擬電子技術(shù)課程設計正是為學(xué)生創(chuàng )造一個(gè)動(dòng)手又動(dòng)腦，獨立開(kāi)展模擬電子系統設計的機會(huì )。學(xué)生可以運用實(shí)驗手段檢驗理論設計中的問(wèn)題所在，又可運用學(xué)過(guò)的知識，指導電路調試工作，使電路功能更加完善，從而使理論和實(shí)際有機地結合起來(lái)，鍛煉分析并解決電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，真正實(shí)現由知識向能力的轉化。

1 模擬電子系統
隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是在生產(chǎn)還是生活中，人們越來(lái)越多地使用一些模擬電子設備和裝置，如：擴音機、錄音機、示波器、正弦信號發(fā)生器、報警器、溫控裝置等。盡管用途不同，但從工作原理來(lái)看，有著(zhù)共同之處：
1)需要輸入一種連續變化的電信號。這種連續變化的電信號稱(chēng)之為模擬信號，模擬信號可以由專(zhuān)門(mén)的部件(通常為傳感器)把非電的物理量轉換為電量，例如：話(huà)筒、磁頭、熱敏器件、光敏器件等。也有些設備無(wú)需這種轉換，而是直接由探頭輸入或電路本身產(chǎn)生電信號，如示波器，信號源等。
2)必須把得到的電信號進(jìn)行放大或者變換。通過(guò)放大或變換，使信號具有足夠大的能量，為實(shí)現人們所預期的功能服務(wù)。
3)設置了不同的執行機構。執行機構能夠把傳來(lái)的電能轉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。
模擬電子系統中，無(wú)論是傳感器送來(lái)的電信號，還是直接輸入或電路本身產(chǎn)生的電信號一般都是十分微弱的，往往不能推動(dòng)執行機構工作，而且有時(shí)信號的波形也不符合執行機構的要求，所以需要對這種信號進(jìn)行放大或者變換，才能保證執行機構的正常工作?？梢?jiàn)，信號放大和信號變換是模擬電子系統的核心。
隨著(zhù)生產(chǎn)工藝水平的提高，線(xiàn)性集成電路和各種具有專(zhuān)用功能的新型元器件迅速發(fā)展起來(lái)，給模擬電子系統設計工作帶來(lái)了很大的變革。但是，從我國現有的條件來(lái)看，集成元件的生產(chǎn)，無(wú)論品種還是數量，還不能滿(mǎn)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用。而這種分立件電路的設計方法，主要是運用基本單元電路的理論和分析方法，比較容易為初學(xué)設計者所掌握。另外，有助于學(xué)生熟悉各種電子器件，掌握電路的設計基本程序和方法，學(xué)會(huì )布線(xiàn)、組裝、測量、分析、調試等基本技能。理論知識告訴我們，任何復雜的電路，都是由簡(jiǎn)單的單元電路組合而成的。所以，要設計一個(gè)復雜的模擬電子系統，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，然后分別對這些單元電路進(jìn)行設計。使一個(gè)復雜任務(wù)，變成簡(jiǎn)單任務(wù)，利用我們學(xué)過(guò)的知識即可完成。

2 虛擬實(shí)驗平臺在模擬電子系統設計中的應用
電子系統的設計是一個(gè)不斷調試的過(guò)程。在實(shí)物上調試往往消耗大量人力、物力和財力。而且受到實(shí)驗環(huán)境的影響，某些功能未能全部實(shí)現。在實(shí)驗硬件環(huán)境不具備的情況下，采用虛擬實(shí)驗平臺軟件進(jìn)行模擬電子系統的設計可有效解決這一問(wèn)題。EDA(電子輔助設計)軟件很多，廣泛采用的有Multisim、PSPICE、PROTEL等。這些軟件都有較強的功能，一般可用于電路設計與仿真，同時(shí)也可以進(jìn)行PCB(印刷電路板)自動(dòng)布局、布線(xiàn)，輸出多種網(wǎng)表文件。其中，Multisim仿真軟件相對其它EDA軟件而言，功能卜分強大，可以仿真出真實(shí)電路的結果。而且提供了萬(wàn)用表、示波器、信號發(fā)生器、掃描儀、邏輯分析儀、數字信號發(fā)生器、邏輯轉換器等工具。它不僅繼承了以往仿真軟件具有的界面直觀(guān)、操作方便、使用直觀(guān)的虛擬儀表的優(yōu)點(diǎn)，還將最新的安捷倫測試儀及泰克示波器等引入虛擬儀器中。其控制面板、界面操作以及測量結果與實(shí)際的儀器完全相同，用戶(hù)使用Multisim10如同在實(shí)驗室進(jìn)行操作一般。這樣就可以有效的解決實(shí)驗條件不足的問(wèn)題，并且可將集中進(jìn)行的課程設計分散進(jìn)行，便于老師的指導與調試。作為虛擬的電子工作平臺，Multisim10提供了詳細的電路分析手段，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 模擬電子系統設計實(shí)例——音頻信號發(fā)生
音頻信號發(fā)生器是指能夠產(chǎn)生音頻范圍的正弦信號的儀器。音頻信號的頻率范圍一般是幾十到幾十kHz，音頻信號發(fā)生器是模擬電子線(xiàn)路實(shí)驗中不可缺少的設備之一，在實(shí)踐和科技領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，如電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)實(shí)驗等領(lǐng)域。自行設計和制作一個(gè)能產(chǎn)生音頻信號的電路，不僅能運用所學(xué)知識，學(xué)會(huì )設計簡(jiǎn)單電路的技能，而且對電子技術(shù)實(shí)驗有著(zhù)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，常用的信號發(fā)生器多是由模擬電路構成的，包括正弦波振蕩器和穩幅電路兩大模塊。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，RC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以下的正弦信號，石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生頻穩度較高的正弦信號。
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，且連續可調的振蕩信號，其結構簡(jiǎn)單又經(jīng)濟方便，因此應用最為普遍。因為這種振蕩器，選頻網(wǎng)絡(luò )和負反饋電路正好形成一個(gè)四臂電橋振蕩器，又被稱(chēng)為文氏電橋。用有恒流源負載的射極輸出器，設計出頻率范圍在200 Hz-20 kHz，電壓輸出±3 dB，輸出電壓>2 V并且連續可調的信號發(fā)生器。
3．2 系統設計
3．2．1 放大電路的設計
放大環(huán)節是振蕩電路的核心。它的放大倍數和頻率響應直接影響著(zhù)起振條件和振蕩器的穩定性。為了保證具有較高的開(kāi)環(huán)增益，較好的頻率響應，本設計中選用了LM324AJ集成運放作放大環(huán)節。它是一種應用非常廣泛的通用型運算放大器。由于采用了有源負載，所以只要兩級放大就可以達到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內部補償，電路比較簡(jiǎn)單不易自激，工作點(diǎn)穩定，使用方便，而且設計了完善的保護電路，不易損壞。
3．2．2 穩幅電路的設計
穩幅的基本原理就是把信號放大要足夠大，再通過(guò)限幅方式保證輸出幅度一致，如果限幅后的信號不滿(mǎn)足要求，則再通過(guò)信號調整電路來(lái)輸出滿(mǎn)足要求的等幅信號。用雙向穩壓二極管穩幅是最簡(jiǎn)單的方式。本設計中由于電源電壓的波動(dòng)、電路參數的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，將使輸出幅度不穩定。采用一般的電阻引入負反饋穩幅還不夠，常用方法之一是采用非線(xiàn)性熱敏元件來(lái)穩幅。如負溫度系數的熱敏電阻，就可實(shí)現穩幅。
3．2．3 選頻網(wǎng)絡(luò )及正反饋網(wǎng)絡(luò )的設計
正反饋電路主要是由文氏電橋組成。當振蕩器穩定工作時(shí)，文氏橋正反饋系數F=1／3要保證電路穩定工作。
振蕩器的振蕩頻率主要由RC值決定的。本設計要求f=200 Hz～20 kHz，當確定C后，改變R值從最小到最大，應滿(mǎn)足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達不到阻值。若高頻率達不到要求，則可適當減小串聯(lián)電阻680 Ω的阻值。當選定C后，應通過(guò)改變R實(shí)現頻率調節。R的最小值受運放輸出阻抗控制，最大值受分壓器的值限制。當選用雙連電位器來(lái)調節頻率時(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，而且調節也不方便。本題中可選取兩個(gè)電容值作為粗調，再求出R的變化范圍，用電位器實(shí)現細調。正弦波振蕩器的振蕩頻率為。
此處選取C為0．1μF時(shí)，分別求出對應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)現電阻調節。