基于Multisim10的電子電路仿真與分析

楊玉蘭

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院 東校區(qū)，河南 鄭州 450009）

1 引言

電子類專業(yè)開設(shè)的電子技術(shù)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，電子電路的設(shè)計(jì)與分析是其中必不可少的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，往往是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)給定的電路圖，選擇元器件搭建實(shí)驗(yàn)電路。甚至部分實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)箱現(xiàn)成的電路模塊，連接電路測(cè)量數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，由于元件老化、損壞、參數(shù)誤差、儀器儀表精度、經(jīng)濟(jì)條件等因素的影響，往往得不到最佳的實(shí)驗(yàn)效果；在進(jìn)行簡(jiǎn)單電子電路的設(shè)計(jì)焊接時(shí)，往往直接根據(jù)電路圖，利用萬能板進(jìn)行焊接制成。這樣存在的問題是容易造成元器件的浪費(fèi)，不利于電路的調(diào)試與測(cè)試。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐漸將仿真軟件引入電子電路的設(shè)計(jì)過程。這樣可以將在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的內(nèi)容放到Multisim的虛擬環(huán)境搭建電路，仿真運(yùn)行，分析與調(diào)試；或者先仿真調(diào)試電路的正確性，再進(jìn)行焊接，可大大節(jié)約成本，提高效率。

EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)包括電子電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬仿真和電路分析、PCB（印制電路板)自動(dòng)化設(shè)計(jì)3個(gè)方面的內(nèi)容[1]。Multisim軟件是加拿大Interactive Image Technologie（簡(jiǎn)稱IIT）公司推出的從電路仿真設(shè)計(jì)到版圖生成全過程的電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)，它是一套功能完善、操作界面友好，方便使用的EDA工具。被美國NI公司收購后，更名為NIMultisim。V11.0是其最新推出Multisim版本[2]。

Multisim軟件可以測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路等，本文對(duì)模擬電子技術(shù)中的單管阻容耦合共射放大器設(shè)計(jì)仿真分析實(shí)例作一介紹。仿真結(jié)果表明，仿真與理論分析和計(jì)算結(jié)果一致。該軟件的使用給了學(xué)生一個(gè)寬松的電路實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生的思維在可發(fā)散處多向輻射，使得學(xué)生創(chuàng)新思維生根發(fā)芽。

2 Multisim10功能與特點(diǎn)

Multisim，是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬電路仿真軟件。它可以虛擬設(shè)計(jì)測(cè)試和演示各種電子電路(電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路等)，能夠進(jìn)行詳細(xì)的電路分析功能，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能，是電路設(shè)計(jì)中必不可少的軟件。

本文仿真使用的版本為NIMultisim 10.0，它的主要特點(diǎn)有：

（1）Multisim 10的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊(cè)中查到，因此也很方便的在工程設(shè)計(jì)中使用。

（2）Multisim 10的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

（3）Multisim 10具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，可以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。

（4）Multisim 10可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等?？梢詫?duì)被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲(chǔ)測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。

（5）利用Multisim 10可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測(cè)試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析；可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用。

3 單管阻容耦合共射放大器的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例

運(yùn)行Multisim 10，即會(huì)在仿真工作區(qū)內(nèi)自動(dòng)新建一個(gè)文件名為“Circuit 1”的空白電路文件，在此文件的電路仿真工作區(qū)按照如圖1所示放置元器件、布局、連線，并存盤。在Multisim 10 中測(cè)得，小信號(hào)時(shí)三極管（2N222A）的 VBE（on）＝0.75V，放大系數(shù)為 220。

圖1 單管共射放大器

3.1 靜態(tài)分析

靜態(tài)工作點(diǎn)的分析可采用“參數(shù)估算法”、“直流工作點(diǎn)分析法”、“設(shè)置探針”等方法，這里選用“直流工作點(diǎn)分析法”來做一介紹。

使用“仿真分析”的方法測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)。單擊Multisim界面菜單“仿真/分析/直流工作點(diǎn)分析……”按鈕。在彈出的對(duì)話框中選擇待分析的電路節(jié)點(diǎn)，單擊“仿真”按鈕進(jìn)行直流工作點(diǎn)仿真分析，如圖2所示。點(diǎn)擊“仿真”按鈕，即有分析結(jié)果（待分析電路節(jié)點(diǎn)的電位）顯示在“分析結(jié)果圖”中，如圖3所示。

圖2 直流分析選項(xiàng)對(duì)話框

圖3 直流工作點(diǎn)分析結(jié)果圖

依分析結(jié)果（相當(dāng)于“電路電壓測(cè)量”中待測(cè)試點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的電壓降），有：

3.2 動(dòng)態(tài)分析

在測(cè)量電路的電壓放大倍數(shù)AU時(shí)，選用的電路如圖4所示。

圖4 檢測(cè)輸入、輸出電壓波形

圖5 輸入、輸出電壓波形

用示波器分別測(cè)量輸入、輸出信號(hào)的波形如圖5所示，用游標(biāo)讀出輸入和輸出信號(hào)電壓的峰值分別為 Vipp＝10.648mV Vopp＝497.291mV，則可得出單管共射極電路的電壓放大倍數(shù)為

測(cè)量輸入電阻Ro與輸出電阻時(shí)，可選取的方法有“串接電阻法”或“等效電路法”，這里選用“等效電路法”來進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量電路輸入電阻Ri時(shí)，在如圖6所示的電路中，從節(jié)點(diǎn)2向電路右邊戴維南定理的總等效電阻即為其輸入電阻。電路中在輸入回路中接入電壓表和電流表（設(shè)置為交流AC），運(yùn)行仿真開關(guān)，讀取電流表和電壓表的讀數(shù)，得出在1KHz的頻率下該電路的輸入電阻為：Ri＝UiIi＝10×10-33.088 ×10-6≈3.238KΩ。

測(cè)量電路輸出電阻Ro時(shí)，在如圖7所示的電路中，根據(jù)輸出電阻的計(jì)算方法，將負(fù)載開路，信號(hào)源短路，在輸出回路中接入電壓表和電流表（設(shè)置為交流AC），運(yùn)行仿真開關(guān)，讀取電流表和電壓表的讀數(shù)，得出在1KHz的頻率下該電路的輸出電阻為：Ro＝UoIo＝1 0.510 ×10-3≈1.960KΩ。

圖6 輸入電阻測(cè)試電路

圖7 輸出電阻測(cè)試電路

4 總結(jié)

應(yīng)用Multisim仿真軟件可以方便、準(zhǔn)確地搭建各種電子電路進(jìn)行測(cè)試與仿真，并且電路修改、調(diào)試方便，儀器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、波形顯示清晰、準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好。避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室儀器老化、元器件參數(shù)等誤差所導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確性，從而節(jié)約了成本，極大地提高了電子電路的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，為設(shè)計(jì)者提供了方便。

本文應(yīng)用Multisim10軟件對(duì)單管共射放大器的電路搭建、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量及計(jì)算方法進(jìn)行了闡述，結(jié)果表明仿真與理論分析和計(jì)算結(jié)果一致，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中硬件設(shè)備條件的限制，大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率和成本，為后續(xù)Multisim10在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

[1]葉建波.用Multisim8軟件實(shí)現(xiàn)電子電路的仿真.電子工程師，2005（7）：18-20

[2]王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的 Multisim10仿真分析.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（18）：172-174

[3]余群一，舒華，陳新兵.Multisim進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)的教學(xué)研究.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2007（10）：118-120

[4]高娟，李峰.基于Multisim的電子電路仿真研究.青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2006(6)：63-65

[5]李劍清.Multisim在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2007（10）：543-546

[6]盧艷紅.基于Multisim10的電子電路設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009（9）

[7]王連英.基于Multisim10的電子仿真實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009（8）