MultiSIM在電子線路實驗教學中的應用

福建省泉州市農業學校 張艷紅

一、前言

傳統電子線路的實驗教學是使用電子線路的分析方法，在最簡易的電路圖上，根據需要的指標設計電路、選擇元件參數并進行手工估算。然后才開始搭建電路，使用選好的儀器或儀表進行測試，驗證是否滿足指標要求。但是設計出具有高實用價值的電子電路需要考慮的因素和問題很多，在眾多類型中選用合適的器件的確不容易，特別是對于職業院校學生，設計之初往往經驗不足。而且，大規模集成電路的功能較多，內部電路復雜，僅憑資料是很難掌握它們的各種用法。這就需要一個可以模擬現實的仿真軟件。

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的以Windows為基礎的仿真軟件，借助虛擬現實技術，使設計者能“如實”地選擇、更換元件，能“如實”地操作各種儀器、設備，進行“現場”實驗，能快速地模擬、分析、驗證所設計電路的性能。往往用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。包括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。

使用Multisim仿真軟件，與傳統實驗方法相比，這種虛擬技術既省時又經濟，而且還可避免實驗中發生的各種損壞和事故，在教學中更能節省時間和精力，有著廣泛的應用前景。

二、MultiSIM軟件的介紹

Interactive Image Technologies公司曾推出了一個專門用于電子電路仿真和設計的EDA工具軟件EWB(Electronics Workbench)。由于EWB具有許多突出的優點，引起了電子電路設計工作者的關注，迅速得到了推廣使用。但是隨著電子技術的飛速發展，EWB5x版本的仿真設計功能已遠遠不能滿足復雜電子電路的仿真設計要求。被美國NI公司收購后，更名為NI Multisim，并將用于電路級仿真設計的模塊升級為Multisim，于2001年推出了Multisim 2001。Multisim 2001繼承了EWB界面形象直觀、操作方便、仿真分析功能強大、分析儀器齊全、易學易用等諸多優點，并在功能和操作上進行了較大改進。而V10.0（即NI，National Instruments）是其推出的Multisim新版本。目前美國NI公司的EWB的包含有電路仿真設計的模塊Multisim、PCB設計軟件Ultiboard、布線引擎Ultiroute及通信電路分析與設計模塊Commsim4個部分，能完成從電路的仿真設計到電路版圖生成的全過程。Multisim、Ult iboard、Ultiroute及Commsim4個部分相互獨立，可以分別使用。

三、MultiSIM的功能和特點

MultiSIM是一種功能非常強大的電路仿真軟件，作為虛擬的電子工作平臺，提供了較為詳細的電路分析手段，可以對電路的靜態工作點的分析、動態分析、暫態分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真度分析、直流掃描分析、傳輸函數分析、用戶自定義分析和靈敏度分析等等，既可以對模擬、數字、模擬/數字混合電路、射頻電路進行仿真，又能對部分微機接口電路進行仿真，克服了實驗室條件下對傳統電子設計工作的限制。幫助設計人員分析電路的各種性能，從而為設計人員提供了一個良好的集成化的虛擬設計實驗環境。比如其交流頻率分析類似于利用掃描儀對電路進行仿真，可以準確地得出電路的幅頻特性和相頻特性，分析結果能在分析表窗口中表現為直觀的幅頻特性和相頻特性曲線，以觀察電路的增益或相移。參數掃描分析則可用于需要讀某個元器件數值進行調節時的電路仿真，它可以讓電路中的某個元器件的參數在設置的數值段內連續變化，然后將電路的靜態工作點、頻率特性和瞬態特性等隨此參數的變化以圖形的方式顯示出來。

具體特點總結如下：

(1)直觀的圖形界面

整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖動到屏幕上，輕點鼠標可用導線將他們連接起來，軟件儀器控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的。

(2)豐富的元器件

提供世界主流的元件，同時能方便對元件的各種參數進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創建模型等功能，創建自己的元器件。

(3)強大的仿真分析功能

以Spice3F5和Xspice的內核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優化。包括Spice仿真、MUC仿真、VHDL仿真、電路向導等功能。

(4)具有多種常用的虛擬儀表

提供了22種虛擬儀器進行電路工作的測量。

(5)完善的后處理

對分析結果進行的數字運算操作類型包括算術運算、三角運算、指數運行、對數運算、復合運算、向量運算和邏輯運算等。

(6)詳細的報告

能夠呈現材料清單、元件詳細報告、網絡報表、原理圖統計報告、多余門電路報告、模型數據報告、交叉報告等7種報告。

(7)提高了模擬及測試性能

與NI相關虛擬儀器軟件的完美結合，提高了模擬及測試性能。

四、MultiSIM在電子線路教學中的實例

1.單級放大電路的實驗過程

把MultiSIM軟件安裝在計算機上，利用提供其提供的元件庫和虛擬儀器構建實驗電路原理圖。

(1)創建電路圖

首先在元件庫欄中選擇所需要的元件，然后拖曳到電路工作區適當的位置，設置其參數，再用鼠標畫導線連接電路。對于虛擬儀器的不同輸入端，可采用不同的顏色，這樣可以方便觀察結果.

(2)保存電路文件

電路生成后要保存電路，以免微機出現故障或方便以后調用。

(3)電路仿真分析

在實驗中，為了與實際電路一致，三極管采用實際類型。仿真開始和停止只需按下該軟件右側的“啟動/停止”開關。

①直流分析：直流工作點的分析是對電路進行進一步分析的基礎，利用虛擬萬用表測量電路的靜態工作點。進行直流分析時，電路中RL短路，Ce開路，交流信號源無效，可知三極管工作在放大區。

②參數分析：參數掃描分析是將電路參數值設置在一定的變化范圍內，以分析參數變化對電路性能的影響，該電路中參數R3和Ce的值對實驗結果有著直接的影響。通過調節R3，選擇合適的靜態工作點。Ce則直接影響著電路的頻帶，由于射極旁路電容Ce對電路的低頻響應特性起主要作用，放大電路的下限頻率減少，頻帶變寬。

③交流分析：用虛擬示波器可觀察電路輸入和輸出端的波形，如圖1，通過對電流的交流分析，可以得出電路的頻率響應、幅頻和相頻曲線，也可估算中頻增益和上限截止頻率。從圖1中可以看出電路的輸入輸出波形反相及電路的通頻帶，根據各元器件的值算出電壓放大倍數。

圖1 交流分析（波形）

④瞬態分析：瞬態分析是一種非線性時域分析，它可以計算電路的時域響應。分析時，可用直流電作為電路初始狀態，瞬時分析的結果（圖2）通常是分析節點的電壓波形，通過波形判斷電路的失真是不是非線性失真，從而進一步改進電路。

圖2 瞬態分析

2.單相橋式全控整流電路

從Multisim的電源箱及其基本工具箱里調出晶閘管及脈沖電壓源和電阻負載的模塊。按照單相橋式全控整流電路的電路結構圖的要求聯接仿真模型，如圖3所示。

圖3 單相橋式全控整流電路仿真模型

晶閘管觸發信號是一個VCVS(電壓控制電壓源)與一個脈沖電壓源，使用改變脈沖電壓源的參數來改變觸發脈沖的寬度和延遲時間，晶閘管選用2N1559，R=200Ω。電路參數設置為：正弦電壓源為220V、50HZ，壓控電壓源設置為V1與V4相同，V2與V3相同。

按照以上觸發信號設置，仿真電路輸出波形如圖4所示。

圖4 單相橋式全控整流電路負載波形

3.三相橋式可控整流電路的建模及仿真

依照上述方法，調出相應的仿真模塊，按照三相橋式可控整流電路結構圖的要求聯接仿真模型，如圖5所示。

圖5 三相橋式可控整流電路的仿真模型

輸入信號源數據如下：

二極管型號選1S1888，R=200Ω正弦電壓源參數設置為：Voltage RMS為220V，Voltage offset為0，Frequency為50HZ，Time delay為0，Damping Factor為0，Phase為0。按照以上設置，仿真電路輸出波形如圖6所示，從仿真波形來看，實驗結果完全一致。

圖6 三相橋式可控整流電路負載波形

4.Boost電路的建模及仿真

Boost電路又稱為升壓變換器，輸出電壓與輸入電壓的關系為：

式中D為占空比，從Multisim的電源箱及其基本工具箱里調出直流電壓源、脈沖電壓源、功率三極管、二極管和電阻負載的模塊。按照單相橋式全控整流電路結構圖的要求聯接仿真模型。

功率三極管、電阻、電感和電容全部選用現實元件，二極管選用虛擬器件。功率三極管選ZVN33310F。參數設如下：

直流電壓源：100V；

受控電壓源：1V/V；

脈沖電壓源：Pulsed Value為30V，Pulse Width為0.5ms，Period為1ms。

按照以上設置，仿真電路輸出波形如圖7所示。

圖7 Boost電路負載波形

從仿真曲線可見與結果相符。說明了仿真模型的正確性以及直觀快捷的特點。

五、結語

(1)利用Multisim軟件的仿真工具箱建立的電子線路典型電路動態仿真模型，具有直觀、方便、靈活的特點。使得仿真過程更加方便、快捷，提高了效率和精度。

(2)通過對單相橋式全控電路、三相橋式可控整流電路以及Boost電路的仿真實驗結果，充分證實了動態仿真模型的正確性而且在仿真時可以隨便改變仿真參數，并用示波器隨時觀察仿真波形，使得仿真更加具有實時性、直觀性。

(3)在電子線路教學中引入Multisim仿真軟件作為教學輔助工具，不但可以將課本中的抽象原理賦予形象化，而且可以激發學生的學習興趣和積極性，從而提高了教學效果。

總之，利用MuthiSIM軟件仿真電子線路實驗，不僅可以彌補傳統實驗教學中存在的設備緊張、儀器陳舊、元器件損耗等不足，還大大激發了學生的學習興趣。但實驗教學的目的是培養和提高學生的實踐能力，如果用該軟件取代實際實驗，顯然不能完全達到實驗教學目的，實踐證明只有在教學中將現代化手段與傳統實驗有機地結合起來，充分發揮各自的優勢，才能達到事半功倍的效果。

[1] 馬威.仿真軟件Multisim在電子技術實踐教學中的應用[J].科教文化,2012,11(3):193.

[2] 吳志敏,朱正偉,何寶祥.Multisim10在模擬電子技術課程實驗中的應用[J].實驗室科學,2012,15(4):112-116.

[3] 蔣先平.Multisim10在電子技術課程設計中的應用[J].科技視界,2012,20(12):62-64.

[4] 薛迎春.Protel仿真功能與Multisim仿真功能的比較[J].廣西輕工業,2009,11:84-92.