Multisim10 在電子技術課程設計中的應用

蔣先平

（廣州航海高等?？茖W校 廣東 廣州 510725）

0 引言

電子技術課程設計是一門繼模擬電子技術和數字電子技術之后的實踐性和綜合性很強的一門重要的課程。 它要求學生在熟練掌握本專業所學的理論知識的基礎上，進行實踐應用，通過對小電子產品或電子系統的的部分功能的設計與開發[1]，既可以鞏固電子技術方面的理論知識，又能夠對提高電子電路的設計水平有所幫助，還可以提高綜合分析問題和解決問題的能力。 進一步培養學生的動手能力及實驗技能，啟發學生的創新意識和創新思維。 為將來從事相關領域工程設計打好堅實的基礎。

隨著集成電路技術的日益發展及計算機技術的不斷深入，電子電路的計算機輔助設計與分析（EDA）技術已經發展為電子電路系統分析及設計的重要工具，并已成為電子學領域的重要分支。 與傳統的設計方法相比較，借助EDA 軟件進行的電子技術課程設計， 突出了以學生為中心的開放模式，通過激發學生想象能力并進一步嘗試各種不同的設計方案、采用不同的集成元器件，來培養學生的創新意識。 利用EDA技術進行電子技術課程設計，首先需要根據設計的要求和設計者的習慣選合適的擇軟件平臺，Multisim10 是在EWB 的基礎上發展起來的一款專業的仿真軟件，它能真實地仿真分析實際電路的工作原理，它既是電子線路進行仿真實驗的理想工具，更是迄今為止使用起來最直觀、最方便的仿真軟件之一。它增加了大量的VHDL 元件模型,能夠仿真更加復雜的數字元件,并且在保留了EWB 形象直觀等優點的基礎上,大大地加強了軟件的仿分析和測試的功能, 大大的增加了元件庫中的元件數目, 尤其是擴充了大量與實際元件相對應的元件模型,因此使仿真設計的結果更加精確、更加可靠、也更加具有實用價值[3]。

1 Multisim10 的主要功能和特點

Multisim10 是加拿大圖像交互技術公司 （Interactive Image TechnoIigics）（簡稱IIT）公司在20 世紀90 年代初推出的（Eiectronics Work Brnch）（簡稱EWB）后續版本，中文又稱電子工程師仿真工作室。適用于板級的模擬/數字電路板方面的設計工作。 通過Multisim 及其虛擬儀器技術，電子學教育工作者跟PCB 設計工程師可以完成一個從理論到原理圖的捕獲與仿真再到原型的設計和測試這樣完整的綜合的設計流程[2]。 該軟件具有如下特色：

1.1 具有集成化、一體化的設計環境。 在該設計環境中可以完成電路原理圖的圖形輸入、 電路硬件描述語言輸入方式，具有電路的構建及仿真，器件的建模及仿真，系統的組建及其仿真等非常豐富的仿真分析能力。

1.2 虛擬實驗儀器豐富。 Multisim10 作為一個功能強大、儀器齊全的虛擬電子實驗平臺，不僅為設計人員提供了常用的儀器，像示波器和萬用表等，還提供了頻譜分析儀和網絡分析儀等許多單位里無法提供的儀器，既方便了設計人員的設計工作，也極大的提高了該軟件的功能。 同時，用戶還可以任意制造出屬于自己的虛擬儀器、儀表，并且在計算機的仿真環境跟實際的環境中進行廣泛的使用。

1.3 具有強大的分析功能。Multisim10 為設計人員提供了19種之多的仿真分析方法，有直流工作點分析、瞬態分析、傅立葉分析等。 這些分析功能從根本上滿足了電子電路的分析和設計要求，特別是非常具有特色的RF 電路分析功能，更是一般的EDA 軟件所不具備的。

1.4 具有非常廣泛的兼容性。Multisim10 能夠打開具有Spice內核的其他EDA 軟件生成的網表文件，而且還可以把Multisim10 創建的電路原理圖文件轉為NET 或PLC 文件導出，以供Ultiboard、Protel 等PCB 軟件進行印刷電路板設計所用。此外，Multisim 還支持Verilog 及VHDL 語言的電路仿真跟設計。

2 課題設計舉例

用Multisim10 軟件設計電子電路，無須專門學習計算機控制語言和各種輸入輸出指令, 無須編寫電子電路圖的程序,其非常接近真實的集成實驗環境，就好像是在實驗室實驗板上連接電路。 學生只要在Multisim10 軟件的電路設計窗口內放入自己設計的虛擬的電子元件及儀器, 并且使用節點及連線連接相應的虛擬儀器儀表和虛擬元器件的測量接口, 就能夠從虛擬的儀器儀表上觀察到各種仿真波形及其參數的結果，特別直觀和方便。 就以功率放大器為例,我們應用Multisim10 軟件首先設計出功率放大器的電子電路， 然后對電路進行仿真和分析。

2.1 設計的任務及要求

設計制作出一個具有一定放大能力的低頻功率放大器，其具體的要求是：

（1）放大電路輸入信號電壓的幅值為5～700mV，負載電阻RL=8Ω；

（2）額定輸出功率大于等于12W

（3）帶寬BW 大于10kHz

（4）額定負載下，效率要大于60%。

2.2 設計方案的論證

根據設計的要求，設計一個低頻前置放大器和功率放大級。

指標要求在RL=8Ω 的負載上得到的輸出功率不小于12W，則輸出電壓的峰值：

則取出的峰值約為14V。

此外， 設計要求正弦輸入信號的電壓幅值為5～700mV，則放大器總的電壓增益為：

（1）前置放大器的設計。 前置放大器選用低噪音的集成運算放大器NE5532。 根據最大增益要求大于50dB，故采用2級放大，根據對前置放大器增益的要求，最大增益與最小增益相差懸殊，故此放大器最好做成程控放大器，或者在功率放大器與前置放大器之間增加一級信號衰減電路。 為方便調節和仿真， 在前置放大器的第一級輸出接一個可變的電阻，根據輸入信號的大小來調節第二級的輸入信號， 以控制增益。 取第一級固定增益Av1=-14，第二級固定增益Av2=-23，以滿足前置放大器的最大增益為50dB。

NE5532 的單位增益帶寬為10MHz， 上面設計的前置放大器能滿足指標中對放大器帶寬的要求。

（2）設計功率放大器。 功率放大器是整個放大器的核心，根據指標的要求，采用分立元件構成的放大器及集成功率放大器都可以實現。此方案中采用分立元件構成的功率放大器[3]，如圖1 所示。

根據設計的要求，輸出功率Po≧12W，且效率η≥60%，因此采用甲乙類功率輸出級電路。圖中Q1、Q2 構成的差動放大為功率放大級的輸入級，Q6 是推動級；Q3、Q4、Q5 構成電阻比例電流源，為推動級和差動放大電路提供偏置電流，Q8、Q9 構成互補的推挽輸出級；Q7 和電阻R10、R11 構成Ube 的倍增電路，為輸出級提供合適的偏置，保證輸出級工作的甲乙類狀態。 電路中交直流負反饋用于穩定輸出電壓和擴展頻帶。

圖1 功率放大器

3 電路的仿真測試

在Multisim10 的視窗內構建電路圖，逐級調試和測量[4]。

3.1 前置放大器：設輸入信號最弱時，前置放大器增益應該最大，在Multisim10 使用波特圖儀測量其幅頻特性。

測量結果如圖2 所示，由圖可知：前置放大器的總的零頻增益為50.2dB,帶寬為BW≧300kHz。

圖2 為前置放大器總增益的幅頻特性曲線

3.2 功率放大器：將功率放大器連接到前置放大器，再使用波特圖儀對整個的低頻功率放大器特性測量。 最后得到整個低頻功率放大器的幅頻特性曲線（如圖3）。如圖可知：其中頻增益為68dB,3dB 帶寬BW＞100kHz,帶寬足以滿足要求。

圖3 為功率放大器總的幅頻特性曲線

4 結語

從以上的應用實例可以看出, Multisim10 軟件是一款很好的電子線路仿真軟件, 把Multisim10 軟件應用于電子電路的課程設計中,不僅可以很好地培養學生的動手能力,并且加強了學生對電子線路的分析和綜合能力, 實現了設計教學手段的創新。

［1］鄭步生，吳渭.MuItisin 2001 電路設計及仿真人門與應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

［2］周凱.EWB 虛擬電子實驗室：Multisim 7&Ultiboard 7 電子電路設計與應用[M].北京： 電子工業出版社, 2005.

［3］從宏壽,程衛群,李紹銘.Multisim8 仿真與應用實例開發[M].北京：清華大學出版社,2007：142-145.