Multisim在數(shù)模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

蔣先偉，王菲菲，楊 金，范程華，魯世斌

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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Multisim在數(shù)模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

蔣先偉，王菲菲，楊 金，范程華，魯世斌

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

文中介紹了Multisim12仿真軟件的功能和特點(diǎn)，通過(guò)疊加定理、單管共射放大電路分析、二十九進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真分析這三個(gè)典型的數(shù)模電實(shí)驗(yàn)，闡述了Multisim12在數(shù)模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用方法。結(jié)果表明，Multisim12仿真軟件可以使學(xué)生加深對(duì)數(shù)模電實(shí)驗(yàn)的理解，可以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

Multisim12 ；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；仿真分析

1 引言

電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是高等學(xué)校電子信息工程、通信工程、微電子科學(xué)與技術(shù)、電氣工程及其自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)十分重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，這些課程具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。學(xué)生不僅要掌握電路的基本工作原理、分析方法，對(duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，更為重要的是培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)及其實(shí)際應(yīng)用的能力。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種新型電子器件、產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不可能實(shí)現(xiàn)器件的飛速更新，這勢(shì)必影響到實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件的出現(xiàn)，剛好解決了這些問(wèn)題。Multisim電子仿真軟件具有完整的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真功能、虛擬儀表及分析功能。通過(guò)Multisim軟件，構(gòu)建和設(shè)計(jì)各種電路，并用儀器儀表如萬(wàn)用表、示波器、頻率計(jì)等來(lái)判斷電路的可行性與結(jié)果，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。同時(shí)，可以利用該軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合性實(shí)驗(yàn)，這是實(shí)驗(yàn)室僅有的儀器設(shè)備所無(wú)法比擬的，由于其直觀形象，大大促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，將Multisim軟件與傳統(tǒng)的數(shù)模電實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式相結(jié)合，有利于學(xué)生對(duì)電路綜合能力和專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的提高。

2 Multisim12簡(jiǎn)介

NIMultisim軟件是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件[1]。作為 Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NI Multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。NI Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問(wèn)題。該軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim12具有以下主要特點(diǎn)[2]：

(1)直觀的圖像界面，整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)。繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，使用起來(lái)非常方便。

(2)豐富的元件庫(kù)：Multisim主元件庫(kù)提供了17000多種電路元件，包括基本元件、顯示管、集成電路元件；同時(shí)能方便的對(duì)元件各種參數(shù)進(jìn)行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，也可以創(chuàng)建自己的元器件。

(3)完備的分析功能：Multisim提供了多種分析功能，包括直流工作點(diǎn)、交流分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、溫度掃描分析、蒙特卡羅分析、最差情況分析、線寬分析、批處理分析、傳遞函數(shù)分析等和用戶(hù)自定義分析。

(4) 強(qiáng)大的仿真能力：以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過(guò)Electronic workbench 帶有的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋?/p>

(5)獨(dú)特的射頻(RF)模塊：提供基本射頻電路的設(shè)計(jì)、分析和仿真。射頻模塊由RF-specific(射頻特殊元件，包括自定義的RF SPICE模型)、用于創(chuàng)建用戶(hù)自定義的RF模型的模型生成器、兩個(gè)RF-specific儀器(Spectrum Analyzer頻譜分析儀和Network Analyzer網(wǎng)絡(luò)分析儀)、一些RF-specific分析(電路特性、匹配網(wǎng)絡(luò)單元、噪聲系數(shù))等組成。

(6)強(qiáng)大的MCU模塊：支持4種類(lèi)型的單片機(jī)芯片，支持對(duì)外部RAM、外部ROM、鍵盤(pán)和LCD等外圍設(shè)備的仿真，分別對(duì)4 種類(lèi)型芯片提供匯編和編譯支持；所建項(xiàng)目支持C代碼、匯編代碼以及16進(jìn)制代碼，并兼容第三方工具源代碼；包含設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、查看和編輯內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器等高級(jí)調(diào)試功能。

3 Multisim12在數(shù)模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

Multisim在教學(xué)中表現(xiàn)出來(lái)的突出優(yōu)點(diǎn)是直觀形象，改變電路中的參數(shù)或者元件，結(jié)果就會(huì)直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前。通過(guò)軟件仿真可以擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，為制作實(shí)物提供可靠的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方案，打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生只要有一臺(tái)電腦，即可在不同時(shí)間、地點(diǎn)自主的學(xué)習(xí)，有效的提高了學(xué)習(xí)效率[3]。

3.1 疊加定理驗(yàn)證分析

疊加定理是線性電路的基本特性，它可以將一個(gè)具有多電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等效變換為若干個(gè)單電源或數(shù)個(gè)電源的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜性。通過(guò)Multisim對(duì)總體電路和單個(gè)電源作用的電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證疊加定理的正確性。圖1是Multisim界面下電路實(shí)驗(yàn)中的疊加定理電路圖。圖中有兩個(gè)電壓源共同作用于電路，在每個(gè)電阻兩側(cè)并聯(lián)萬(wàn)用表，可以測(cè)出兩端的電壓，或者點(diǎn)擊Simulate菜單下Analyses，選擇DC operating point，添加所需的節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行分析，可以得出相應(yīng)的電壓以及電流。

圖1 疊加定理電路

為了驗(yàn)證疊加定理的正確性，首先仿真出總體電路中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流，如圖1(b)所示。接下來(lái)，按照相同的操作方法，仿真分析了12V和6V電壓源單獨(dú)作用時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流的大小，如圖2、3所示。

圖2 12V電壓源單獨(dú)作用時(shí)的電路

圖3 6V電壓源單獨(dú)作用時(shí)的電路

為闡述方便，圖1(b)中的電流電壓用I、U表示，圖2(b)中的電流電壓用I1、U1表示，圖3(b)中的電流電壓用I2、U2來(lái)表示。由上述結(jié)果計(jì)算可知：I(R1)= I1(R1)+ I2(R1)，I(R2)= I1(R2)+ I2(R2)，I(R3)= I1(R3)+ I2(R3)，I(R4)= I1(R4)+ I2(R4)，U(1)= U1(1)+ U2(1)，U(2)= U1(2)+ U2(1)(圖3(a)中的1和2是同一節(jié)點(diǎn))，U(3)= U1(3)+ U2(3)，U(5)= U1(5)+ U2(5)， U(6)= U1(5)+ U2(6) (圖2(a)中的5和6是同一節(jié)點(diǎn))。由此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了疊加定理的正確性。

3.2 單管共射放大電路仿真分析

晶體管共射放大電路實(shí)驗(yàn)，是模電實(shí)驗(yàn)中較難的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。由于晶體管工作既需要直流電源，又需要交流小信號(hào)，不少學(xué)生對(duì)此比較混亂，遇到問(wèn)題時(shí)往往會(huì)束手無(wú)策。為此，通過(guò)Multisim仿真平臺(tái)，可以要求學(xué)生對(duì)照單管共射放大電路，先進(jìn)行電路搭建，對(duì)電路進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試，最后在輸入端加上交流小信號(hào)，觀察其輸出波形與靜態(tài)工作點(diǎn)位置之間的關(guān)系。單管共射放大電路如圖4所示。

圖4 晶體管放大電路原理圖

晶體管若實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的正常放大，必須工作在放大區(qū)，因此需要設(shè)置合適的工作點(diǎn)，在晶體管的發(fā)射級(jí)加上萬(wàn)用表，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的觸頭，使得發(fā)射級(jí)電壓UE=2V，對(duì)放大電路進(jìn)行靜態(tài)直流分析，得出晶體管三級(jí)電壓如圖5(a)所示，UCE= 5.21V，UBE= 0.79V， 滿(mǎn)足UBE>Uon，UCE>UBE的放大條件。在晶體管的輸入端加上交流小信號(hào)，將雙蹤示波器分別接至電路的輸入輸出端，并設(shè)置相應(yīng)通道的參數(shù)，觀察其波形如圖5(b)所示，表明該情況下是正常的放大功能。

圖5 放大區(qū)

改變滑動(dòng)觸頭的位置，即改變基極電阻的大小，當(dāng)RW非常小時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行靜態(tài)直流分析，得出晶體管三個(gè)極的電位如圖6(a)所示，UCE= 0.089V，UBE= 0.81V，由此表明，此時(shí)晶體管發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)正向偏置，所以在該電路中晶體管工作在飽和區(qū)。當(dāng)輸入端加上交流小信號(hào)后，得出其輸入輸出波形如圖6(b)所示，波形發(fā)生了底部失真，原因即是晶體管工作在飽和區(qū)。

圖6 飽和區(qū)

圖7 截止區(qū)

在放大電路的基礎(chǔ)上增大基極電阻RW的阻值，對(duì)電路進(jìn)行靜態(tài)直流分析，得出晶體管三個(gè)極的電位如圖7(a)所示，UCE=10V，UBE= 0.76V，此時(shí)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)靠近截止區(qū)。在輸入端加上交流小信號(hào)，得出其輸入輸出波形如圖6(b)所示，波形發(fā)生了頂部失真，原因即是靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不合理，落在了近截止區(qū)的位置。

分析上述三種情況，發(fā)現(xiàn)改變基極電阻，會(huì)使靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出波形發(fā)生了失真，除此之外，學(xué)生可以通過(guò)改變晶體管的β值，來(lái)觀察放大狀態(tài)下，波形大小發(fā)生的變化。

3.3 二十九進(jìn)制計(jì)算器仿真分析

圖8 二十九進(jìn)制計(jì)數(shù)器

從本例中，可以看出，只要搭建好電路，在這里可以得出100進(jìn)制，在此基礎(chǔ)上只需要改變不同的譯碼狀態(tài)即可得到不同進(jìn)制的計(jì)算器，簡(jiǎn)單明了，又形象生動(dòng)。改變計(jì)數(shù)脈沖的頻率，計(jì)數(shù)的速度也隨之發(fā)生變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

Multisim仿真軟件應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室條件的不足，有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。利用Multisim軟件不僅可以對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行電路仿真，而且可以深入研究實(shí)驗(yàn)課程中因條件不足無(wú)法開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)降低實(shí)驗(yàn)成本，改善教學(xué)效果起到很大的促進(jìn)作用，同時(shí)，其直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)模電實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣，可以有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

[1] 李良榮.現(xiàn)代電子技術(shù)：基于Multisim7&Ultiboard[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[2] 古良玲, 王玉菡.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與Multisim12仿真[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

[3] 王爾申, 李軒, 王相海等. 基于Multisim的電子及工業(yè)電子學(xué)課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2014, 31(10):128-140.

[4] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.

2016-08-25

2014年校級(jí)教學(xué)研究一般項(xiàng)目(2014yj24)；電子工程示范教研室(2013syjys10)；2016年安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A574)資助

蔣先偉(1983-)，女，安徽五河人，講師，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。

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1674-2273(2016)06-0068-05