Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ７在模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

摘 要：Multisim 7是一種功能非常強(qiáng)大的電路仿真軟件，運(yùn)用該軟件的仿真功能，可以實(shí)現(xiàn)模擬電路的分析和設(shè)計(jì)。為了能夠全面地描述Multisim 7仿真軟件，通過(guò)具體的實(shí)例進(jìn)行闡述，并利用直流分析和交流分析的方法，分析該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、幅頻特性、電壓特性、電流特性等特征參量。通過(guò)這些分析結(jié)果，證明該仿真軟件對(duì)于模擬電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革可以起到非常積極的作用。與以往處理此類問(wèn)題不同，這里采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法。

關(guān)鍵詞：模擬電路實(shí)驗(yàn);虛擬實(shí)驗(yàn)室;靜態(tài)工作點(diǎn);Multisim 7

中圖分類號(hào)：TP391.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1600303

Application of Multisim 7 in the Reform of Experimentation Teaching in Analog Electronics

ZHANG Weishan

(Qingyuan Polytechnic College，Qingyuan，511510，China)

Abstract：Multisim 7 is a very mighty emulational software，based on this software，the analysis and device for analog electronics can be realized.In order to demonstrate this software comprehensively，using the embodied instance to explain，and utilize the direct analysis，alternate analysis to analyze the static state point，amplitudefrequency trait，voltage trait，current trait，then testify that it is very important for this software to strengthen the teaching reform of analog electronics.The difference from the other papers lies in that uses the combination of theory and practice.

Keywords：analog electronics experiment;virtual laboratory;static state point;Multisim 7

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的EDA仿真和虛擬儀器技術(shù)改變了電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)觀念、教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)過(guò)程。仿真和虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種虛擬的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)的研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等環(huán)節(jié)內(nèi)對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程起到了非常大的促進(jìn)作用。針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嬖谥煌姆抡孳浖缈梢灾С蛛娐奉悓?shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的EWB/Multisim，Protel DxP，OrCAD等；支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的軟件有SystemView，Matlab等；支持虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是LabVIEW。

《模擬電路技術(shù)實(shí)驗(yàn)》是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，是對(duì)模擬電子技術(shù)理論知識(shí)的重要補(bǔ)充。在該類實(shí)驗(yàn)中，需要利用所學(xué)知識(shí)，完成實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)電路圖的設(shè)計(jì)與組建，所需元件的參數(shù)確定以及對(duì)應(yīng)的測(cè)量工作。由于電子技術(shù)的發(fā)展，元器件、儀器的更新和淘汰是非常迅速的，所以單獨(dú)依賴實(shí)際的儀器來(lái)完成這些實(shí)驗(yàn)就顯得非常被動(dòng)。

本文中介紹了利用Multisim 7進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的方法。

1 Multisim 7 介紹

Multisim 7軟件是由加拿大的Interactive Image Technologies公司在2003年推出的Multisim系列軟件版本，該軟件是對(duì)該公司的電子線路仿真軟件EWB（Electronics WorkBench，虛擬電子工作臺(tái)）經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，升級(jí)得到。該軟件的主要功能特點(diǎn)有：

（1） 直觀的界面

Multisim 7軟件把電路原理圖的創(chuàng)建、電路的測(cè)試分析和仿真結(jié)果等內(nèi)容都集成到一個(gè)電路窗口中，整個(gè)操作界面就像一個(gè)電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與實(shí)踐操作非常相似，能滿足教學(xué)上的要求。

（2） 種類繁多的元件和模型

元件庫(kù)非常的大，包含了13 000多個(gè)元件；元件庫(kù)中含有所有的標(biāo)準(zhǔn)器件以及當(dāng)今最先進(jìn)的數(shù)字集成電路；含有大量的交互元件、指示元件、虛擬元件、額定元件和三維立體元件，可以滿足不同的應(yīng)用目的；除了Multisim 7軟件自帶的主元件庫(kù)外，用戶還可以建立“公司元件庫(kù)”，這樣有助于一個(gè)團(tuán)隊(duì)的交流使用，Multisim 7還提供了多種向元件庫(kù)中添加個(gè)人建立的元件模型的方法。

（3） 功能強(qiáng)大的虛擬儀器

主要包括邏輯分析儀、安捷倫儀器、波特圖儀、失真分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、瓦特表和字信號(hào)發(fā)生器等18種虛擬儀器，并且其功能與實(shí)際儀表相同，可解決購(gòu)置這些實(shí)際儀器設(shè)備所需巨額經(jīng)費(fèi)不足問(wèn)題。

（4） 完善的分析手段

除了所含有的虛擬儀表外，Multisim 7還提供直流工作點(diǎn)分析、交流分析、敏感度分析、3 dB點(diǎn)分析、批處理分析、直流掃描分析、失真分析、傅里葉分析、模型參數(shù)掃描分析、蒙特卡羅分析、噪聲分析、噪聲系數(shù)分析、溫度掃描分析、傳輸函數(shù)分析、用戶自定義分析和最壞情況分析等19種分析手段，這些分析在現(xiàn)實(shí)中有可能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

（5） 強(qiáng)大的仿真功能

用Multisim 7不僅可以完成SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 仿真，而且還可以實(shí)現(xiàn)RF（射頻）電路的仿真。

2 Multisim 7仿真軟件的應(yīng)用

用Multisim 7完成仿真實(shí)驗(yàn)的一般步驟是：創(chuàng)建仿真電路圖→確定仿真分析手段→啟動(dòng)

Mmutisim 7仿真→完成仿真分析。這里以O(shè)TL低頻功率放大實(shí)驗(yàn)電路為例來(lái)介紹該仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 創(chuàng)建仿真電路圖

首先確定實(shí)驗(yàn)電路；然后打開(kāi)Mmutisim 7，通過(guò)左邊的元件工具欄（Component Toolbar）選擇合適的元器件；通過(guò)右邊的儀表工具欄（Instrument Toolbar）選擇合適儀表；然后通過(guò)放置(Place)欄，選取連接點(diǎn)并確定其位置；用導(dǎo)線把所選用的元器件、儀器儀表和連接點(diǎn)進(jìn)行連接；最后根據(jù)需要，合理地調(diào)整元器件和儀器儀表的位置，最后得到圖1所示的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 OTL低頻功率放大器仿真電路2.2 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試

(1) 將輸入信號(hào)為零(ui=0)電源進(jìn)線中串入直流毫安表，調(diào)節(jié)電位器RA，用萬(wàn)用電表測(cè)量A點(diǎn)電位，使uA=(1/2)UCC，仿真結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

圖2 A點(diǎn)電位的仿真結(jié)果 圖3 靜態(tài)電流的仿真結(jié)果

（2） 調(diào)整輸出極靜態(tài)電流及測(cè)試各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)

調(diào)節(jié)電位器RB=0，在輸入端接入f=1 kHz的正弦信號(hào)ui。逐漸加大輸入信號(hào)的幅值，此時(shí)，輸出波形應(yīng)出現(xiàn)較嚴(yán)重的交越失真，如圖4所示；然后緩慢增大RB，當(dāng)交越失真剛好消失時(shí)，停止調(diào)節(jié)RB。 此時(shí)直流毫安表讀數(shù)即為輸出級(jí)靜態(tài)電流。該數(shù)值按要求應(yīng)在5~10 mA左右，如圖3所示。

輸出端電流調(diào)好以后，對(duì)T1，T2，T3進(jìn)行直流仿真分析，得到如圖5所示的仿真結(jié)果。

圖4 交越失真圖5 靜態(tài)工作點(diǎn)分析2.2.2 最大輸出功率Pom和效率η的測(cè)試

逐漸增大ui，同時(shí)用示波器觀察輸出電壓uo波形，當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大不失真輸出時(shí)，用萬(wàn)用電表測(cè)出此時(shí)負(fù)載RL上的電壓Uom，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6所示。

由此可得： Pom1=U.2omRL=0.145 W

當(dāng)用瓦特計(jì)直接測(cè)量時(shí)，得到其最大不失真輸出功率為Pom2=0.141 W，兩者非常的接近，從而間接證明該測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確性。

圖6 負(fù)載電阻電壓 圖7 最大不失真輸出功率

在理想的情況下，最大輸出功率Pom=18·U.2CCRL=0.39 W，實(shí)際上“OTL低頻功率放大器”電路的額定（不失真）輸出功率為理論上最大輸出功率的（40~60）%（reference），即0.156~0.234 W，仿真結(jié)果與理論分析基本相符。

2.2.3 頻率響應(yīng)的測(cè)試

用波特圖示儀測(cè)試電路的幅頻特性曲線非常方便，將電路的輸入和輸出部分分別連接至波特圖示儀輸入和輸出端，然后雙擊XBP1波特圖示儀的圖標(biāo)，設(shè)置合理的參數(shù)，最后打開(kāi)電路的仿真開(kāi)關(guān)，最后得到圖8所示幅頻特性曲線。然后用鼠標(biāo)拖動(dòng)游標(biāo)，從指針運(yùn)數(shù)處找到對(duì)應(yīng)增益下降3 dB處的2個(gè)頻率值，分別可得其下限頻率為fL=472.638 Hz和上限頻率fH=1.298 MHz。

圖8 電路的輻頻特性雖然Multisim 7軟件在電路的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中，產(chǎn)生了非常積極的作用，但是應(yīng)該看到該仿真軟件，畢竟是一個(gè)虛擬的電子實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室里的各種虛擬元器件、儀器儀表，與現(xiàn)實(shí)存在著的真實(shí)的硬件儀器儀表之間存在著很大的區(qū)別。有些基本的實(shí)驗(yàn)操作方法，操作技能只能通過(guò)實(shí)際的操作過(guò)程才能學(xué)到和領(lǐng)悟到，所以硬件的實(shí)驗(yàn)過(guò)程也是不可缺少的。

3 硬件儀器的實(shí)驗(yàn)過(guò)程

當(dāng)采用硬件的儀器儀表來(lái)完成同樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，存在著諸多的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 線路的連接問(wèn)題：元器件的放置方向錯(cuò)誤，例如電容、三極管等；電路中存在著短路與斷路的問(wèn)題；

(2) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，萬(wàn)用電表保險(xiǎn)絲的損壞情況比較嚴(yán)重；

(3) 當(dāng)采用硬件的儀器儀表來(lái)測(cè)試電路的頻率特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)該測(cè)試的過(guò)程是非常困難的，其主要原因在于儀器自身的問(wèn)題，因?yàn)橛煤瘮?shù)信號(hào)發(fā)生器來(lái)調(diào)節(jié)其輸出頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)其幅度也跟隨著發(fā)生了變化，這便導(dǎo)致單純通過(guò)觀察輸入和輸出波形來(lái)分析其頻率特性的方法是錯(cuò)誤的。

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用Multisim 7軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，不僅可以提高模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量以及學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)興趣；同時(shí)還能解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著的設(shè)備緊張、儀器陳舊等問(wèn)題；同時(shí)對(duì)于開(kāi)發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能、拓展設(shè)計(jì)內(nèi)容和思維空間有著很大的幫助。但由于虛擬器件存在著虛擬的特點(diǎn)，在真實(shí)性方面與實(shí)際的硬件儀器儀表存在著比較大的差距，并不能完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段。所以在實(shí)際的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，只有要把硬件的儀器儀表和Multisim 7仿真軟件結(jié)合起來(lái)，把現(xiàn)代化手段與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，才能收到事半功倍的效果。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］熊偉，侯傳教，梁青，等.Multisim 7 電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］李冬生.EDA仿真與虛擬儀器技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］焦俊生.EDA技術(shù)在數(shù)字電子課程教學(xué)中的應(yīng)用\\.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(10):168169，173.

作者簡(jiǎn)介 張偉珊 女，1965年出生，1989年畢業(yè)于廣東省廣州師范學(xué)院物理系（本科、理學(xué)學(xué)士）。現(xiàn)在廣東省清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院任教，副教授。 主要從事物理、電子技術(shù)、電力電子技術(shù)的教學(xué)科研工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文