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[摘要] 根据高频电路的课程特点，提出了将电路仿真技术引入课程教学的方法，调动了学生的学习兴趣，同时提高了教学效率，在实际教学中取得了良好的效果。以普及率较高的CAD工具Protel 99 SE为仿真软件，以高频小信号谐振放大器的仿真分析为实例做了详细说明。
[关键词] 高频电路 电路仿真 Protel 课程教学
1.引言
《高频电路》课程是电子信息和通信类专业的一门重要专业基础课，主要内容包括高频无线电通信系统中发射机和接收机各组成部件的工作原理和实现电路[1]。该课程电路原理多、概念抽象、公式复杂、数学推导繁琐，在实际课堂教学中，仅采用传统的板书教学方式，很难调动学生的学习积极性，学生普遍反映教学内容难理解，教学效果一般。为了提高教学效率并且一定程度上降低学习难度，本文提出在课堂教学中借助多媒体教室优势，发挥电子电路CAD软件直观形象的电路仿真模拟功能，对高频电路各章节的重要内容在课堂上做同步仿真教学，以向学生展示电路的工作原理和不同参数设置下的工作状态和仿真结果，从而使学生对教学内容有更加深入的认识和理解，在实际教学中取得了良好的效果。
目前，计算机技术迅速发展，在高校图书馆和学生中的普及度已经很高，课下学生在教师课件和仿真文件的帮助下，可以对高频电路的教学内容进行自行仿真并分析结果，调动了学生的积极性的同时，也培养了独立分析和处理问题的能力。电子设计领域的CAD软件众多，如ORCAD、PSPICE、System View、Protel 99 SE、Multisim等[2]，本文采用电子、通信类专业中广泛普及的Protel 99SE为仿真软件，以对高频小信号谐振放大器的仿真分析为例，介绍将电路仿真引入高频电路课堂教学所体现的优势，并取得有良好教学效果。
2. Protel 99 SE软件介绍
本文采用Protel 99 SE为仿真软件，该软件工作在微软WINDOWS 平台下，是一款完整的板级全方位电子设计系统，包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局和布线工具模块）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系构架，同时还兼容第三方工具的文件设计格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等，其多层印刷线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率[3]。在国内电子设计领域和高校教学活动中，Protel 99 SE软件普及率较高，拥有丰富的使用指导和参考书，很多高校也都为电类专业开设有Protel教学课程，学生对Protel 99 SE具备一定的实际操作和使用技能。
Protel 99 SE软件界面如图1所示，主要分为标题栏、菜单栏、工具栏、浏览区、工作区、状态栏等。
3.电路仿真在课堂教学中的应用
3.1 电路原理图的绘制
本文以高频小信号谐振放大器仿真分析为例，介绍Protel 99 SE在高频电路课程教学中应用。软件安装成功后，会在安装目录下显示一些常用的库文件，其中具有SPICE参数的仿真库文件为Sim.ddb，将该库文件添加后，可从子库Simulation Symbols.Lib和BJT.Lib中添加各种所需的电路元器件并绘制放大器电路如图2所示。
其中，VDC为+12V集电极直流电压源，信号源Vi提供频率为1Mhz、幅度1mV的交流正弦输入信号；Q为起放大作用的晶体三极管，型号为BF374；R1、R2、R3、R4、C1、C2、C4构成放大电路的直流与交流通路，参数分别为：15K、5.1K、1K、1K、0.01u、0.01u、0.01u；高频放大器常用作超外差接收机的高放和中放，必须同时具有放大和选频功能，图中由C3、L1和L2构成抽头并联谐振回路，参数分别为250p、80u、20u，并通过L3将输出耦合至负载电阻RL上，其中L3和RL参数分别为：25u、1K，耦合参数设置为0.2。谐振回路与晶体管和负载间均采用部分接入形式，这样不仅可以减小晶体管和负载对回路的影响提高回路Q值，而且使得匹配状态的调节更为方便。
图1 Protel 99 SE的工作界面
图2 高频小信号谐振放大器电路
通过电路图的绘制，可以更加形象地向学生展示高频小信号放大器的各部分组成，使学生能从整体把握电路各部分的作用。
3.2 放大器性能仿真分析
选择菜单Simulate/Setup…，在弹出的仿真分析对话框中选择Operation Point Analyses、Transient/Fourier Analyses和AC Small Signal Analyses，分别对应静态工作点分析、瞬态分析和交流小信号分析；在相应仿真标签对话框中设计仿真参数，如图3和图4所示；其中瞬态分析参数设置为,Start Time：0、Stop Time：80u、Set Time：20n、Maximum Step Time：20n；交流小信号分析参数设置为，Start Frequency：500K、Stop Frequency：1.5MEG、Test Point：1000；设置完成后点击Run Analyses按钮开始仿真分析。
图3 瞬态分析参数设置
图4 交流小信号分析参数设置
从瞬态分析仿真曲线图5上，可直观地测量输入信号Vi和输出信号Vo的幅度，从而得出电压增益；从交流分析仿真曲线图6中，可对放大器谐振特性分析，测得谐振频率fo、3分贝带宽B0.7，并可以算出放大器的增益带宽积和品质因数。通过对仿真曲线的展示和分析，可以直观地将课本教学内容关于放大器的重要性能指标展现在学生面前，增强了学生的学习兴趣和直观认识。
图5 瞬态分析曲线
仿真模拟的优势也在于可对电路参数做适时调整，通过仿真判断参数对电路的影响，以确定最佳的参数配置；而在实际实验中，调整电路参数往往需要对电路重新焊接，消耗时间较长，制作成本较高。
图6 交流小信号分析曲线
在Protel 99 SE工作区，对谐振回路中L1和L2的参数进行调整，可以改变LC谐振回路与晶体管间的接入系数；通过软件仿真，记录不同接入系数情况下的放大器参数的变化情况，如谐振频率、电压增益、3分贝带宽、增益带宽积和品质因数的变化情况，并给予分析。通过改变谐振回路中电容C3的参数并做软件仿真，通过仿真结果做分析，可以得出晶体管极间电容对电路性能的影响；当C3的值比较小 (即C3为小电容) 时，晶体管的极间电容Cce将会对谐振回路产生较强影响； C3的取值越小，极间电容对谐振回路的影响越明显。
通过对电路工作性能的各方面仿真分析，可以将教学内容形象地展示在学生面前，方便将课本上电路工作原理、性能指标分析的理论结果和仿真结果对应起来，加深学生对电路的认识和理解，取得较好的学习和教学效果。
3.3 鼓励学生课下做仿真实验
课堂教学时间有限，如果将课本所有相关电路都做课堂演示分析，时间上是不允许的。而计算机目前在高校图书馆和学生中已经相当普及，故而教师可以针对教学内容提供相关仿真题目建议，鼓励学生在个人计算机上安装电路仿真软件，对高频电路课本一些基本电路在课下做仿真模拟，并将遇到的困难及时与教师反馈沟通。对于学生仿真时遇到的一些典型问题，教师可以适当利用课堂时间做以讲解，使全体学生共同受益。
这种方式调动了学生的学习积极性，提高了学习兴趣，培养了独立分析和解决问题的能力，同时将高频电路的教学内容形象直观地展示出来，增强了学生对高频电路的理解和认识，起到了良好学习效果。
4.結束语
本文针对高频电路的课程特点，以高频小信号谐振放大器为例，在Protel 99SE上给出电路的绘制和仿真分析方法，通过对仿真结果的分析和处理，将教学内容做了形象的展示，并鼓励学生做课下仿真实验并及时反馈交流。
这种将电路仿真分析引入课堂教学的方法，提高了学生的学习兴趣，调动学习积极性，有助于学生对高频课程理论知识的理解，有效地增加了教学信息量，是一种较好的教学手段，在实践中取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]张海燕. 高频电子电路与仿真设计[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2010.
[2]孙俊卿, 罗云林. 基于Multisim的高频电路实验教学研究[J]. 实验技术与管理, 2010,27(7).
[3]朱力恒. 电子技术仿真实验教程[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003.
[4]曾兴雯, 刘乃安. 高频电路原理与分析[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006.
[关键词] 高频电路 电路仿真 Protel 课程教学
1.引言
《高频电路》课程是电子信息和通信类专业的一门重要专业基础课，主要内容包括高频无线电通信系统中发射机和接收机各组成部件的工作原理和实现电路[1]。该课程电路原理多、概念抽象、公式复杂、数学推导繁琐，在实际课堂教学中，仅采用传统的板书教学方式，很难调动学生的学习积极性，学生普遍反映教学内容难理解，教学效果一般。为了提高教学效率并且一定程度上降低学习难度，本文提出在课堂教学中借助多媒体教室优势，发挥电子电路CAD软件直观形象的电路仿真模拟功能，对高频电路各章节的重要内容在课堂上做同步仿真教学，以向学生展示电路的工作原理和不同参数设置下的工作状态和仿真结果，从而使学生对教学内容有更加深入的认识和理解，在实际教学中取得了良好的效果。
目前，计算机技术迅速发展，在高校图书馆和学生中的普及度已经很高，课下学生在教师课件和仿真文件的帮助下，可以对高频电路的教学内容进行自行仿真并分析结果，调动了学生的积极性的同时，也培养了独立分析和处理问题的能力。电子设计领域的CAD软件众多，如ORCAD、PSPICE、System View、Protel 99 SE、Multisim等[2]，本文采用电子、通信类专业中广泛普及的Protel 99SE为仿真软件，以对高频小信号谐振放大器的仿真分析为例，介绍将电路仿真引入高频电路课堂教学所体现的优势，并取得有良好教学效果。
2. Protel 99 SE软件介绍
本文采用Protel 99 SE为仿真软件，该软件工作在微软WINDOWS 平台下，是一款完整的板级全方位电子设计系统，包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局和布线工具模块）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系构架，同时还兼容第三方工具的文件设计格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等，其多层印刷线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率[3]。在国内电子设计领域和高校教学活动中，Protel 99 SE软件普及率较高，拥有丰富的使用指导和参考书，很多高校也都为电类专业开设有Protel教学课程，学生对Protel 99 SE具备一定的实际操作和使用技能。
Protel 99 SE软件界面如图1所示，主要分为标题栏、菜单栏、工具栏、浏览区、工作区、状态栏等。
3.电路仿真在课堂教学中的应用
3.1 电路原理图的绘制
本文以高频小信号谐振放大器仿真分析为例，介绍Protel 99 SE在高频电路课程教学中应用。软件安装成功后，会在安装目录下显示一些常用的库文件，其中具有SPICE参数的仿真库文件为Sim.ddb，将该库文件添加后，可从子库Simulation Symbols.Lib和BJT.Lib中添加各种所需的电路元器件并绘制放大器电路如图2所示。
其中，VDC为+12V集电极直流电压源，信号源Vi提供频率为1Mhz、幅度1mV的交流正弦输入信号；Q为起放大作用的晶体三极管，型号为BF374；R1、R2、R3、R4、C1、C2、C4构成放大电路的直流与交流通路，参数分别为：15K、5.1K、1K、1K、0.01u、0.01u、0.01u；高频放大器常用作超外差接收机的高放和中放，必须同时具有放大和选频功能，图中由C3、L1和L2构成抽头并联谐振回路，参数分别为250p、80u、20u，并通过L3将输出耦合至负载电阻RL上，其中L3和RL参数分别为：25u、1K，耦合参数设置为0.2。谐振回路与晶体管和负载间均采用部分接入形式，这样不仅可以减小晶体管和负载对回路的影响提高回路Q值，而且使得匹配状态的调节更为方便。
图1 Protel 99 SE的工作界面
图2 高频小信号谐振放大器电路
通过电路图的绘制，可以更加形象地向学生展示高频小信号放大器的各部分组成，使学生能从整体把握电路各部分的作用。
3.2 放大器性能仿真分析
选择菜单Simulate/Setup…，在弹出的仿真分析对话框中选择Operation Point Analyses、Transient/Fourier Analyses和AC Small Signal Analyses，分别对应静态工作点分析、瞬态分析和交流小信号分析；在相应仿真标签对话框中设计仿真参数，如图3和图4所示；其中瞬态分析参数设置为,Start Time：0、Stop Time：80u、Set Time：20n、Maximum Step Time：20n；交流小信号分析参数设置为，Start Frequency：500K、Stop Frequency：1.5MEG、Test Point：1000；设置完成后点击Run Analyses按钮开始仿真分析。
图3 瞬态分析参数设置
图4 交流小信号分析参数设置
从瞬态分析仿真曲线图5上，可直观地测量输入信号Vi和输出信号Vo的幅度，从而得出电压增益；从交流分析仿真曲线图6中，可对放大器谐振特性分析，测得谐振频率fo、3分贝带宽B0.7，并可以算出放大器的增益带宽积和品质因数。通过对仿真曲线的展示和分析，可以直观地将课本教学内容关于放大器的重要性能指标展现在学生面前，增强了学生的学习兴趣和直观认识。
图5 瞬态分析曲线
仿真模拟的优势也在于可对电路参数做适时调整，通过仿真判断参数对电路的影响，以确定最佳的参数配置；而在实际实验中，调整电路参数往往需要对电路重新焊接，消耗时间较长，制作成本较高。
图6 交流小信号分析曲线
在Protel 99 SE工作区，对谐振回路中L1和L2的参数进行调整，可以改变LC谐振回路与晶体管间的接入系数；通过软件仿真，记录不同接入系数情况下的放大器参数的变化情况，如谐振频率、电压增益、3分贝带宽、增益带宽积和品质因数的变化情况，并给予分析。通过改变谐振回路中电容C3的参数并做软件仿真，通过仿真结果做分析，可以得出晶体管极间电容对电路性能的影响；当C3的值比较小 (即C3为小电容) 时，晶体管的极间电容Cce将会对谐振回路产生较强影响； C3的取值越小，极间电容对谐振回路的影响越明显。
通过对电路工作性能的各方面仿真分析，可以将教学内容形象地展示在学生面前，方便将课本上电路工作原理、性能指标分析的理论结果和仿真结果对应起来，加深学生对电路的认识和理解，取得较好的学习和教学效果。
3.3 鼓励学生课下做仿真实验
课堂教学时间有限，如果将课本所有相关电路都做课堂演示分析，时间上是不允许的。而计算机目前在高校图书馆和学生中已经相当普及，故而教师可以针对教学内容提供相关仿真题目建议，鼓励学生在个人计算机上安装电路仿真软件，对高频电路课本一些基本电路在课下做仿真模拟，并将遇到的困难及时与教师反馈沟通。对于学生仿真时遇到的一些典型问题，教师可以适当利用课堂时间做以讲解，使全体学生共同受益。
这种方式调动了学生的学习积极性，提高了学习兴趣，培养了独立分析和解决问题的能力，同时将高频电路的教学内容形象直观地展示出来，增强了学生对高频电路的理解和认识，起到了良好学习效果。
4.結束语
本文针对高频电路的课程特点，以高频小信号谐振放大器为例，在Protel 99SE上给出电路的绘制和仿真分析方法，通过对仿真结果的分析和处理，将教学内容做了形象的展示，并鼓励学生做课下仿真实验并及时反馈交流。
这种将电路仿真分析引入课堂教学的方法，提高了学生的学习兴趣，调动学习积极性，有助于学生对高频课程理论知识的理解，有效地增加了教学信息量，是一种较好的教学手段，在实践中取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]张海燕. 高频电子电路与仿真设计[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2010.
[2]孙俊卿, 罗云林. 基于Multisim的高频电路实验教学研究[J]. 实验技术与管理, 2010,27(7).
[3]朱力恒. 电子技术仿真实验教程[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003.
[4]曾兴雯, 刘乃安. 高频电路原理与分析[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006.