Multisim在電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用

　傳統(tǒng)電子線路的分析、設(shè)計方法首先是根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)計電路及其元件參數(shù)，在簡化電路的基礎(chǔ)上，對電路進(jìn)行手工估算，然后在實驗室搭建電路，使用儀器、儀表進(jìn)行測試，驗證是否滿足指標(biāo)要求。仿真軟件Multisim借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使設(shè)計者能“如實”地選擇、更換元件，能“如實”地操作各種儀器、設(shè)備，進(jìn)行 “現(xiàn)場”實驗，能快速地模擬、分析、驗證所設(shè)計電路的性能。與傳統(tǒng)方法相比，這種虛擬技術(shù)既省時又經(jīng)濟(jì)，而且還可避免實驗中發(fā)生的各種損壞和事故，在教學(xué)中更能節(jié)省時間和精力，有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　1仿真軟件介紹

　　Multisim是用于電子電路仿真和設(shè)計的EDA工具軟件之一，屬于Electronics Workbench(EWB)系列軟件的高版本。EWB由加拿大Interactive。ImageTechnologies公司(IIT公司)于 1988年推出。IIT公司從EWB 5.0版本開始，將電路圖輸入仿真與設(shè)計的模塊更名為Multisim。隨著軟件的升級，2005年，公司將其命名為Multisim 9。其特點如下：

　　(1)Multisim是全功能電路仿真系統(tǒng)。

　　(2)Multisim是一個完整的電子系統(tǒng)設(shè)計工具。

　　(3)具有強(qiáng)大的仿真分析功能。

　　(4)具有多種常用的虛擬儀表。

　　(5)與NI相關(guān)虛擬儀器軟件的完美結(jié)合，提高了模擬及測試性能。

　　2仿真實例

　　下面分別以在電路分析、模擬電子電路中的實際電路分析來說明該軟件在電子電路中的應(yīng)用。

　　2.1 RC一階動態(tài)電路的響應(yīng)

　　2.1.1．RC一階動態(tài)電路的描述

　　動態(tài)電路的過渡過程是十分短暫的單次變化過程，對時間常數(shù)較大的電路，可用超低頻示波器觀察其過渡過程。然而，若用一般的中頻示波器觀察過渡過程和測量有關(guān)的參數(shù)，則必須使這種單次變化的過渡過程重復(fù)出現(xiàn)。為此，實驗中利用信號發(fā)生器輸出的方波信號來模擬階躍激勵信號，即用方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵信號，利用方波的下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵信號，方波信號的周期大于電路的時間常數(shù)。電路在這樣的方波序列脈沖信號的激勵下產(chǎn)生的響應(yīng)過程，與直流電壓源的接通與斷開的過程類似。

　　2.1.2積分電路

　　2.1.3微分電路

　　2.1.4電路仿真

　　積分電路

　　取R=10 kΩ，C=100 nF，信號發(fā)生器的輸出為方波(幅值為2 V，偏移為2 V，頻率為1 kHz，占空比為50％)作為激勵電壓，其仿真電路圖如圖2所示。

　　微分電路

　　取R=510 Ω，C=100 nF，信號發(fā)生器的輸出為方波(幅值為2 V，偏移為2 V，頻率為1 kHz，占空比為50％)作為激勵電壓，其仿真電路圖如圖3所示。

　　2.2基本共射放大電路仿真

　　通過對圖4所示基本共射放大電路的靜態(tài)和動態(tài)性能測試進(jìn)一步說明該軟件的功能及適用范圍。

　　2.2.1靜態(tài)工作點分析

　　確定靜態(tài)工作點的方法是動靜結(jié)合，在電路的輸入端加上正弦信號(幅值為10 mV，頻率為1 kHz)。加上示波器(示波器的A通道接輸入端，B通道接輸出端)，打開仿真開關(guān)，雙擊示波器圖標(biāo)，保持其他參數(shù)不變，調(diào)節(jié)電位器R的阻值(按A鍵阻值增大，按Shift+A鍵阻值減小，每次增減5％)，同時觀測輸出信號波形和UCE讀數(shù)(由萬用表或電壓表測得)，直至波形無失真且(此時電位器的阻值為50％)，即可認(rèn)為電路的靜態(tài)工作點基本合適。當(dāng)確定了靜態(tài)工作點后，將輸入正弦輸入信號置為0 mV，由仿真結(jié)果可知，UC=7.869 V，UE=1.902 V，UB=2.543 V，IC=1.726 mA。

　　2.2.2動態(tài)性能分析

　　放大器的動態(tài)性能指標(biāo)主要包括電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和幅頻特性分析。

　　(1)電壓放大倍數(shù)Au

　　當(dāng)放大器調(diào)整到合適的靜態(tài)工作點時，加入輸入電壓(10 mV的正弦信號)，用萬用表或電壓表測出輸入電壓Ui和輸出電壓Uo的值，則接上負(fù)載是電壓放大倍數(shù)為：

　　負(fù)載開路時電壓放大倍數(shù)為：

　　可知，電壓的放大倍數(shù)與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載開路時電壓放大倍數(shù)增大。

　　(2)輸入、輸出電阻

　　輸入電阻Ri是指從放大器的輸入端看進(jìn)去的等效電阻，它表明放大器對信號源的影響程度；輸出電阻Ro是指從放大器的輸出端看進(jìn)去的信號源等效電阻。

　式(5)中的Ui和Us分別是輸入端與信號源之間串入的已知電阻和不加電阻時所測得的輸入值，Rs即為所串入的電阻值，其阻值的大小取為1～2 kΩ；式(6)中Uo和UL分別是負(fù)載開路和接上負(fù)載時的輸出值，其測試圖如圖5所示。

　　在圖5中通過開關(guān)J1控制在輸入端是否串入電阻，開關(guān)J2控制是否加入負(fù)載。通過萬用表測得數(shù)據(jù)可計算出輸入電阻Ri=9.57 kΩ，輸出電阻Ro=2.4 kΩ。

　　(3)幅頻特性

　　放大器的幅頻特性是指放大器的電壓放大倍數(shù)與輸入信號頻率之間的關(guān)系曲線。在Multisim中頻率特性的測試方法有兩種：直接測量法和掃描分析法。

　　①直接測量法

　　將波特圖儀連接在電路中，如圖5所示。雙擊波特圖儀，仿真后，放大電路的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖6所示。可知下限頻率fL=21.319 Hz，上限頻率fH=1.82l MHz，則通頻帶BW=fH-fL=1.821 MHz。

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　　通過單擊Simulate→Analyses(AC Analysis菜單，在彈出的對話框中“Output”欄選擇輸出節(jié)點MYM7，設(shè)置完成后點擊Simulate按鈕進(jìn)行分析。得到電路的幅頻特性和相頻特性曲線圖同圖6所示一致，且與理路論分析結(jié)果完全吻合。

　　3結(jié)語

　　利用Multisim對RC一階動態(tài)電路及共射極放大電路主要性能指標(biāo)的分析是一種方便、易行的方法，省去了在電子電路教學(xué)中用實際元器件安裝調(diào)試電路的過程，能啟發(fā)學(xué)生從驗證性實驗的傳統(tǒng)思維過渡到對電路的分析、故障的排除和電路的設(shè)計；降低了實驗成本，彌補(bǔ)了硬件環(huán)境下實驗教學(xué)的不足，對更新實驗教學(xué)方法，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，改善實驗教學(xué)效果有著非常重要的作用。另外還可利用Multisim軟件自身提供的交流分析、噪聲分析等來優(yōu)化電路設(shè)計和分析。