Multisim和Matlab軟件在電路仿真中的應用比較
2011-12-31 00:00:00王艷紅李楊戴純春王中訓高穎
計算機時代 2011年8期
摘要：分析了Multisim和Matlab兩種計算機仿真軟件的特點，設計了含運算放大器的濾波電路實例，并對濾波電路進行了仿真比較分析，說明了兩種計算機仿真軟件在電路教學與實驗方面的實用性。
關鍵詞：Multisim；Matlab；電路仿真；濾波
中圖分類號：TP391.9
文獻標識碼：A
文章編號：1006-8228[2011]08-22-02
引言
電路課程是計算機、電子信息工程、自動化、通信等電類專業學生的必修基礎課程。通過本課程的教學，要使學生掌握電路的定理、電路的基本分析方法和初步的實驗技能，為學習后續課程準備必要的電路知識。該課程特點是概念多、公式多，知識點繁雜，但近年來授課學時卻在不斷減少，使得教與學的難度增大。為了讓學生提高學習興趣，我們在電路理論教學中組織學生成立了課外學習計算機仿真軟件小組，每個小組由組長帶領利用業余時間學習，主要學習MathWorks公司的Matlab和Interactive Image Technologies(IIT)公司的Multisim軟件包，Altium公司的Potel軟件和MicroSim公司的Pspice，并由學生組織講座，主講計算機仿真軟件在電路中的應用。這不僅使學生加深了對電路知識的理解，提高自學能力、組織能力，培養了工程實踐能力，而且為后續課程的學習打下基礎，提高了教學質量。
1、Multisim、Matlab兩種仿真軟件的特點
Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim仿真功能十分強大，它的元器件豐富，其中真實元器件具有精確的仿真模型，在市場上有相應的元器件出售。它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個窗口內，用戶最容易掌握使用。
Matlab是美國MathWorks公司出品的集數值計算、符號運算及圖形處理和虛擬實驗等強大功能于一體的科學與工程計算、數據分析和仿真軟件。它主要包括MATLAB和Simulink兩大部分，可實現電路的計算和仿真，即能通過計算機編程方法對人工建立的電路方程分析求解，也可利用Simulink組件，直接對電路建模、分析和計算。
2、Multisim MalIab仿真實例
集成運放廣泛用于信號的處理電路中，其應用首先表現在它能構成各種運算電路上。例如，將積分、微分、比例等基本運算電路組合在一起，對電路自由設置傳遞函數，可實現預期的濾波功能。濾波又分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波。在傳統的教學中教師往往通過數學推導來講授這些內容，各種濾波波形也很難在實驗中進行顯示。現以二階有源濾波電路為例，說明如何利用Multisim、Maflab等仿真軟件建立電路模型，改善教學效果。
濾波電路圖如圖1所示這是利用Multisim繪制的原理圖。
我們首先對圖1電路圖進行定性分析：在Ui(s)作用下，以Uo1(s)為輸出的支路，因為反饋通路為積分電路，所以它實現的是高通濾波；對于以Uo2(S)為輸出的支路，則因為它是在高通濾波的基礎上又經過了低通濾波，所以實現的是帶通濾波；對于以Uo3(s)為輸出的支路，則因為它是在帶通濾波的基礎上又經過積分電路，所以實現的是低通濾波；對于以Uo4(s)為輸出的支路，則因為它是二階高通與低通濾波的求和運算，所以實現的是帶阻濾波。
定量分析：利用四個集成運放實現四種濾波功能，由電路基本理論我們可推得四個濾波器的傳遞函數分別為：
2.1 使用Multisim軟件進行仿真
仿真的一般步驟是：首先繪制仿真電路原理圖，對元件設置屬性，設置仿真節點，并設置仿真分析參數；然后運行得到仿真結果，產生仿真信號數值和波形；分析仿真結果。
2.1.1 設置交流分析參數
進行交流分析時，以正弦波為輸入信號。交流分析的結果，以幅頻特性和相頻特性兩個圖形顯示。執行菜單命令Simulate／Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇ACAnalysis，則出現交流分析對話框，如圖2所示。主要設置參數有起始參數、截止參數、掃描類型等。
2.1.2 仿真結果
利用Multisim可以直接顯示出電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，圖3、4、5、6中幅頻特性曲線顯示了各電路輸出端的電壓隨頻率變化的曲線，由圖可知與定性分析相同。
2.2 Matlab仿真
利用Matlab軟件觀察四種濾波器的頻率響應，仿真較為簡單，只采用Matlab語言編程。
2.2.1 建立各濾波器系統函數系數矩陣
Ui＝[10*(R*C)^2，2*R*C，1]；
Uo1=[-1*((R*C)^2)*10，0，0]；
Uo2=[0，10*R*C，0]；
Uo3=[0，0，-10]；
Uo4=[-1*10*((R*C)^2)，O，-10]
2.2.2 仿真波形
畫出頻率響應曲線：plot(fk／1000，20*log10(abs(Hk))／max(abs(IIk)))；grid on經過對圖7的分析可以發現，傳遞函數對應高通濾波。因篇幅有限，利用Matlab仿真低通、帶通和帶阻的仿真波形就不一一列出了。
3、兩種電路仿真軟件的比較
通過濾波電路仿真實例的分析比較，我們認為兩種軟件各有其仿真特色。主要為：
(1)Multisim的仿真軟件具有強大的元件庫和虛擬的實驗儀器與儀表，能直接建立電路原理圖，逼真再現實驗環境，可直接分析電路的內部和外部特性，Multisim豐富的分析方法可以了解電路的狀況、分析電路的各種響應，其分析精度和測量范圍比用實際儀器測量的精度高、范圍寬。Multisim軟件適合元件和電路仿真分析，可以作為實驗平臺。
(2)Matlab運用編程，且其運行時將數據處理單元視作矩陣，增強了它的運算功能。Matlab信號和數據處理及計算能力強。圖形可視化功能好，功能模塊豐富，用于系統仿真更方便一些，并且通過研究電路的外特性，可驗證電路定理和定律。
4、結束語
將計算機軟件引入電路課程的教學實踐，因其仿真結果準確、圖像直接等特點，極大豐富了教師的授課內容。對各類典型的電路進行仿真，可加深學生對知識的理解，也緩解了實驗設備少的問題；最重要的是激發了學生的學習興趣，提高了學生的自學能力和綜合素質，有助于培養具有創新意識和實際設計經驗的人才。
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