Multisim在電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

　傳統(tǒng)電子線路的分析、設(shè)計(jì)方法首先是根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室搭建電路，使用儀器、儀表進(jìn)行測試，驗(yàn)證是否滿足指標(biāo)要求。仿真軟件Multisim借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使設(shè)計(jì)者能“如實(shí)”地選擇、更換元件，能“如實(shí)”地操作各種儀器、設(shè)備，進(jìn)行 “現(xiàn)場”實(shí)驗(yàn)，能快速地模擬、分析、驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的性能。與傳統(tǒng)方法相比，這種虛擬技術(shù)既省時(shí)又經(jīng)濟(jì)，而且還可避免實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的各種損壞和事故，在教學(xué)中更能節(jié)省時(shí)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(jì)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(jì)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(diǎn)如下：

　　(1)Multisim是全功能電路仿真系統(tǒng)。

　　(2)Multisim是一個(gè)完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)例

　　下面分別以在電路分析、模擬電子電路中的實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)中利用信號發(fā)生器輸出的方波信號來模擬階躍激勵(lì)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(lì)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(lì)信號，方波信號的周期大于電路的時(shí)間常數(shù)。電路在這樣的方波序列脈沖信號的激勵(lì)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(lì)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(lì)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(diǎn)分析

　　確定靜態(tài)工作點(diǎn)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(shí)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(shí)電位器的阻值為50％)，即可認(rèn)為電路的靜態(tài)工作點(diǎn)基本合適。當(dāng)確定了靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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。

　?、僦苯訙y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?？芍孪揞l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(diǎn)MYM7，設(shè)置完成后點(diǎn)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(shí)際元器件安裝調(diào)試電路的過程，能啟發(fā)學(xué)生從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)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(jì)；降低了實(shí)驗(yàn)成本，彌補(bǔ)了硬件環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，對更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，改善實(shí)驗(yàn)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(jì)和分析。