Multisim10中的虛擬儀器在電子實驗教學中的應用探索

（天津理工大學 自動化學院，天津 300384）

Multisim10是美國NI公司推出的的電子仿真軟件，是一個完整的集成化設計環境。提供了21種虛擬測試儀器/儀表。這些虛擬儀器和現實中所使用的儀器一樣，可以直接通過儀器觀察電路的運行狀態。同時，虛擬儀器還充分利用了計算機處理數據速度快的優點，對測量的數據進行加工處理，并產生相應的結果。這樣學生上實驗課之前，可以利用課余時間進行Multisim仿真，熟悉實驗內容，課后可以利用Multisim仿真，可以和實際測量的結果進行比較，分析出現的問題。很大程度上解決了實驗室普遍存在儀表種類和數量有限、開放時間有限的問題。

一、Multisim10中的虛擬儀器簡介

Multisim10儀器庫中的虛擬儀表如圖1所示,從左至右分別是：數字萬用表（Multimeter）、失真分析儀（Distortion Analyzer）、函數信號發生器（Function Generator）功率表（Wattmeter）、雙蹤道示波器（Oscilloscope）、頻率計（Frequency Counter）、安捷倫函數發生器（Agilent Funcition Generator）、四蹤示波器（Four-channel Oscilloscope）、、波特圖示儀（Bode Plotter）、IV 分析儀（IV Analyzer）、字信號發生器（Word Generator）、邏輯轉換儀（Logic Converter）、邏輯分析儀（Logic Anlyzer）、安捷倫示波器（Agilent Oscilloscope）、安捷倫萬用表（Agilent Multimeter）、頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）、網絡分析儀（Network Analyzer）、泰克示波器（Tektronix Oscilloscope）、電流探針（Current probe）、LabVIEW儀器（LabVIEW Insturment）、測量探針（measurement probe）。這些儀器在電路分析中都起到很重要的作用。

本文通過幾個典型實例，介紹Multisim中的虛擬儀器在電工電子實驗教學中的具體應用。

二、虛擬示波器（Oscilloscope）和邏輯分析儀（Logic Anlyzer）的應用

虛擬示波器（Oscilloscope）包括雙蹤道示波器、四蹤示波器、安捷倫示波器、泰克示波器等；能夠完成信號的測量，顯示等，完全可以媲美實際示波器。

邏輯分析儀（Logic Anlyzer）是利用時鐘從測試設備上采集和顯示數字信號的儀器，最主要作用在于時序判定。對數字系統進行分析和故障判斷非常有用，該儀器價格昂貴，一般高校實驗室都沒有購買該儀器。利用Multisim10的虛擬示波器和邏輯分析儀可以很方面的進行電子實驗的結果預判和故障排查。

1.應用1：異步二進制計數器實驗故障排查

該實驗要求搭建一個異步二進制計數器，從CP端輸入單脈沖，測試并記錄Q1～Q4的狀態及波形。

傳統的教學模式是在數字實驗箱上進行的；該實驗箱具有多種芯片插座和輸入電平源、脈沖源、輸出指示燈等組成；在實驗中，有的學生發現了下面的現象，模擬實驗箱的Q1、Q2、Q3、Q4指示燈；Q4一直不亮，也就是說異步二進制加法計數器只能從000計數到111；問題出在哪里？

要想查找該問題，需要把脈沖輸入和Q1、Q2、Q3、Q4引入儀器觀測，觀察那一路出現問題；由于實驗室只有2通道的示波器無法觀察輸入和多路輸出；Multisim中的多通道虛擬示波器或者虛擬邏輯分析儀可以解決這個問題；

首先，在實驗開始前，按照實驗指導書在Multisim中搭建異步二進制加法計數器電路圖，把輸入，Q1、Q2、Q3、Q4都引入虛擬示波器；這樣就可以觀測輸入變化時，中間過程及輸出的變化情況；

圖1 異步二進制計數器仿真電路

二進制加法計數器輸出Q1、Q2、Q3、Q4的波形如下：

圖2 Q1、Q2、Q3、Q4 仿真測試波形

光標1、2之間就是一個異步加法二進制一個計數周期輸出，從0000記數到1111；

這個和傳統的實驗對比，可以讓學生加深對J、K觸發器的理解。

現在的問題是計數器只能計數到111；使用邏輯分析儀就可以觀察多于4路以上的信號，把輸入脈沖連接到邏輯分析儀的時鐘輸入端，Q1、Q2、Q3、Q4 連接到邏輯分析儀的 1、2、3、4 通道；點擊邏輯分析儀屬性，設置邏輯分析儀：

圖3 虛擬邏輯分析儀時鐘設置界面圖

選擇外部時鐘源，時鐘頻率設置和輸入脈沖頻率一致即可。然后再設置每格含多少時鐘數，設置50即可；下面是出現問題的波形：

圖4 輸入時鐘、Q1、Q2、Q3、Q4仿真測試波形

Q4一直為低，所以燈一直不亮；通過對比每一級J-K觸發器輸入輸出，發現第4個觸發器存在問題；Q3的下降沿來了以后，Q4沒有變化，這存在幾種可能：

●J、K連線錯誤；

●CLR連線錯誤；

●第4個觸發器損壞；

通過排查，發現第4個觸發器的J端導線斷裂，更換導線，在測試，計數器功能正常。

2.應用2：異步二--十進制計數器輸出觀測

在進行傳統的異步二--十進制實驗時，學生對計數記道1001還是1010產生了爭論，如果用傳統的方法觀察，由于實驗室沒有4通道示波器，需要兩臺2通道的示波器一起觀察，費時費力；通過Multisim中的虛擬4通道示波器很容易的解決了這個問題。

首先用Multisim搭建一個二-十進制加法計數器，通過虛擬4通道示波器觀察 Q1、Q2、Q3、Q4輸出即可；

圖5 異步二-十進制計數器仿真電路

對4通道示波器進行設置；參數如下圖所示：

圖6 虛擬示波器參數設置界面

鼠標點擊右側旋鈕，即可進行A、B、C、D通道切換。輸出Q1、Q2、Q3、Q4的波形如下：

圖7 Q1、Q2、Q3、Q4 仿真測試波形

光標1、2之間就是一個異步加法二進制一個計數周期輸出，從0000記數到1001而不是1010；

三、虛擬函數信號發生器（Function Generator）的應用

函數信號發生器是電子實驗中必不可少的儀器，能產生某些特定的周期性時間函數波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號，為電路提供源。Multisim中的信號源有通用的函數信號發生器和Agilent函數信號發生器，都可產生正弦波、方波、三角波；可以滿足電工電子實驗的需要。

1.應用1：積分電路實驗

積分電路實驗是電子實驗中一個較難的實驗，主要是需要實時觀測輸入輸出波形，改變輸入，觀察輸出。傳統的方法是一邊改變，一邊觀察，很不方面。利用Multisim可以很好的解決這個問題。利用Multisim搭建的電路如下：

設置信號發生器，設置100Hz，幅度是2V的方波，參數設置如下：

通過示波器觀察輸入輸出波形：

然后直接更改輸入，輸出也會立即跟著變化了。

四、結束語

借助電子仿真設計軟件Multisim仿真軟件及自帶的豐富的虛擬儀器，很大程度上解決了實驗室普遍存在儀表種類和數量有限、開放時間有限的問題。利用該軟件，提高了學生的分析能力，對培養學生綜合素質起到了積極的促進作用。