基于Multisim的傳感器課程應(yīng)用研究

白沖沖 張凡

摘要：分析了Multisim軟件的特點(diǎn)和優(yōu)勢，提出將其引入傳感器類課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。針對傳統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，通過采用Multisim軟件對PN結(jié)溫度傳感器實(shí)例進(jìn)行建模仿真，介紹了Multisim軟件在輔助傳感器仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的一般應(yīng)用過程，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作、綜合分析、開發(fā)研究和創(chuàng)新的能力。

關(guān)鍵詞：Multisim軟件;傳感器;仿真實(shí)驗(yàn);PN結(jié)

引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來隨著科技技術(shù)的不斷更新發(fā)展，世界上眾多的計算機(jī)軟件公司陸續(xù)推出專門用于電子電路及傳感器技術(shù)虛擬仿真的模擬軟件，給研究者們學(xué)習(xí)和分析電子技術(shù)帶來了極大的便利。截至到目前被廣泛應(yīng)用于電子電路仿真的軟件有很多，主要包括Multisim、Proteus、Protel等常用軟件，這些軟件各有不同優(yōu)勢。仿真軟件中Multisim是美國NI公司推出的一款EDA軟件，它為用戶提供了豐富的元器件庫和功能齊全的各類虛擬儀器[1]。軟件提供了全面集成化的設(shè)計環(huán)境，能完成原理圖設(shè)計、電路仿真分析和電路功能測試等項(xiàng)工作，在Multisim標(biāo)準(zhǔn)組件庫中，有不少虛擬元器件和儀器的型號是與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場使用的實(shí)際元器件及儀器幾乎完全一致[2]。Multisim仿真軟件可以讓開發(fā)者在仿真過程中隨意改變模型數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)時觀察系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化，交互性好，由于是仿真軟件避免了實(shí)驗(yàn)儀器損壞與試驗(yàn)材料的消耗，大大降低了研究成本，同時仿真結(jié)果接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果，對研究開發(fā)電子電路及傳感器設(shè)計有很高的參考指導(dǎo)價值。Multisim仿真軟件有利于學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)過程中加深對本課程基本理論、基本概念的理解與掌握，同時在使用的過程中可以減輕學(xué)生對數(shù)學(xué)推演的壓力，且仿真軟件能直觀生動的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論，能更好的調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性[3]。

一、引入Mulltism仿真實(shí)例

一般傳統(tǒng)的傳感器類實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)生將課堂上所掌握的傳感器檢測電路按照相應(yīng)理論步驟在傳感器試驗(yàn)箱上連接其測量電路，通過實(shí)驗(yàn)平臺的測試數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行分析總結(jié)，在實(shí)驗(yàn)操作過程中學(xué)生通常只能按照傳感器試驗(yàn)箱配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成相應(yīng)測量電路的連接，由于所連接的傳感器電路受到試驗(yàn)箱的限制，所連接的整個實(shí)驗(yàn)電路基本都是固定不變的，電路搭建所使用的電子元器件也是固定的，試驗(yàn)箱的這種封閉式實(shí)驗(yàn)操作也不允許學(xué)生隨意改動和創(chuàng)新電路，不利于學(xué)生掌握傳感器內(nèi)部電路連接及學(xué)生主動學(xué)習(xí)和再次開發(fā)，同時受限于試驗(yàn)箱器件數(shù)量學(xué)生無法實(shí)現(xiàn)一些特殊類傳感器的實(shí)驗(yàn)操作。因此鑒于試驗(yàn)箱操作實(shí)驗(yàn)的不足，我們可以在試驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)課之前，課堂理論教學(xué)之后，加上基于Multisim的仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在理論課程學(xué)習(xí)之后可利用Multisim中豐富的元器件庫和虛擬儀器，可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求選擇調(diào)整不同的虛擬儀器模擬傳感器檢測電路，將整個測量電路在Multisim軟件中進(jìn)行搭建仿真，同時還可修改其中一些器件的物理參數(shù)，最后分析對測量結(jié)果的影響，這能夠促使學(xué)生們非常愿意在自主學(xué)習(xí)中將Multisim仿真電路與傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)電路相互對照，大大提升了學(xué)生們對整個傳感器電路的理解掌握，同時也激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與探索的興趣。

以典型的PN半導(dǎo)體溫度傳感器為例：溫度傳感器是將溫度變化量轉(zhuǎn)化為電量變化量的檢測裝置，溫度傳感器包含有很多種不同類型，其中PN結(jié)溫度傳感器是非常典型的溫度傳感器。它是利用半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的正向?qū)▔航凳軠囟扔绊懚兓奶匦匝兄瞥傻囊环N固態(tài)溫敏傳感器，它具備靈敏度高、體積小、非線性小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，已經(jīng)成為一種新的測溫傳感器應(yīng)用與眾多領(lǐng)域。一般PN結(jié)溫度傳感器電路主要有溫敏二極管、電橋轉(zhuǎn)換電路、直流電源、運(yùn)放電路、電壓跟隨電路以及測量電路組成，工作轉(zhuǎn)換過程是二極管受溫度影響造成其電阻值發(fā)生變化，通過電橋電壓電路將電阻變化量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)電壓變化值輸出，運(yùn)放電路和電壓跟隨電路分別控制電壓變化值的放大輸出和電壓的反饋穩(wěn)定，由測量電路對電壓值進(jìn)行測量及檢測，最終實(shí)現(xiàn)了溫度到電壓信號的測量轉(zhuǎn)變。只要具備合適的參雜濃度，半導(dǎo)體二極管反向飽和電流在一定溫度范圍內(nèi)近似為常數(shù)，所以PN結(jié)導(dǎo)通電壓與溫度成線性關(guān)系，這樣溫度的變化可以轉(zhuǎn)化為PN結(jié)導(dǎo)通電壓的變化，利用這種特性可以制成半導(dǎo)體PN結(jié)溫敏傳感器。一般硅管半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器的結(jié)壓降受溫度影響，每升高1℃電壓下降2mV，可直接采用硅晶體三極管（短接基極和集電極）或硅二極管來制成PN結(jié)溫度傳感器，且具備一定的線性，測溫范圍可達(dá)-50℃～+150℃，滿足一般場合對于溫度測量的需求。

二、搭建仿真模型

本次仿真采用Multisim14.0軟件進(jìn)行仿真，首先開啟Multisim仿真軟件，根據(jù)前面的理論分析搭建傳感器測量各個模塊仿真電路，按理論值設(shè)定仿真電路中相關(guān)元器件的參數(shù)，并利用Multisim的虛擬測量儀器記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時仿真中可選擇Multisim相應(yīng)虛擬儀器搭建試驗(yàn)箱電路，便于與實(shí)際電路作對比。傳感器仿真模型包括PN傳感器模塊、轉(zhuǎn)換電橋模塊、運(yùn)算放大電壓轉(zhuǎn)換電路及測量模塊，軟件搭建的仿真電路圖如圖1所示，該仿真電路中，將D1二極管作為PN溫度傳感器，二極管型號選用1N4148，D1與電阻R1、R2、R9構(gòu)成傳感器電壓轉(zhuǎn)換電路，供電電壓為5V，運(yùn)放電路U1A與U2A搭建了電壓放大輸出電路，U2A為電壓跟隨電路，其中運(yùn)算放大器選取了在后續(xù)搭建實(shí)際電路為同學(xué)們準(zhǔn)備的常用運(yùn)放LM358A。仿真模型中各個模塊初始工作溫度設(shè)定值為27℃，當(dāng)測定溫度發(fā)生變化時，D1作為溫度傳感器模塊溫度設(shè)定值為測定溫度，此時由D1與R1、R2、R9構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路將有不同的電壓值輸出，該電壓值隨測定溫度變化而變化，然后經(jīng)過電壓放大電路處理后可以通過電壓值大小來測定溫度，最后把具體的溫度變化經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓值變化，并選取電壓測量模塊XMM2來顯示最終仿真結(jié)果。

在仿真過程中，學(xué)生可任意改變器件參數(shù)設(shè)置，比如二極管初始溫度選擇，電阻阻值的改變等來觀察測量結(jié)果的變化，從而加深理解傳感器內(nèi)部電路中各個器件的作用原理，有利于提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)主動性，在仿真結(jié)束后，學(xué)生們可在面包電路板上根據(jù)仿真模型靈活搭建實(shí)際電路，完成后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測量。通過測量模塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計后得到溫度與電壓關(guān)系圖如圖2所示，其中縱坐標(biāo)為電壓值（V），橫坐標(biāo)為溫度值（℃），可以看出在測量范圍內(nèi)傳感器溫度值與輸出電壓為線性關(guān)系，Multisim仿真電路和實(shí)際理論值基本一致。虛擬仿真消除了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中損壞儀器的顧慮，使同學(xué)們對儀器的使用更加自信和熟悉，反過來學(xué)生反復(fù)練習(xí)熟練使用虛擬儀器的同時也大大降低了學(xué)生由于誤操作造成真實(shí)儀器損壞的可能性。在實(shí)際情況下，由于測量的溫度值是不斷變化的，在搭建的實(shí)際電路時還會存在電路干擾、電路接觸不良等因素，最后造成測量的輸出值誤差較大。在實(shí)驗(yàn)之前先進(jìn)行仿真，讓同學(xué)們弄清楚電路構(gòu)造，有助于同學(xué)們在實(shí)際電路檢測時找出電路中的問題，例如電路連接錯誤和器件損壞等，進(jìn)而能夠更加順利地完成實(shí)驗(yàn)。

三、學(xué)習(xí)效果

通過Multisim仿真實(shí)驗(yàn)，其仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與理論計算值非常接近，且Multisim有豐富的元器件庫可供選擇，元件參數(shù)修改方便，避免了由于多次焊接而損壞器件和電路板，使電路調(diào)試變得快捷方便，也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本。軟件提供的各種豐富的元器件彌補(bǔ)了學(xué)生在實(shí)際電路搭建過程中元器件不足的窘迫，同時，學(xué)生對元器件的誤操作軟件會出現(xiàn)相應(yīng)的提示，避免了在實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)過程中對器件或儀器的損壞。傳統(tǒng)的傳感器類課程理論講解，內(nèi)容較為抽象枯燥，學(xué)生很難理解接受，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，增加仿真實(shí)驗(yàn)課，引入Multisim軟件后，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)之前分析電路的特性，更改參數(shù)觀察對電路的影響，通過仿真模型系統(tǒng)掌握傳感器電路運(yùn)行原理。仿真軟件中豐富的可調(diào)器件和儀器便于學(xué)生任意調(diào)用，提高同學(xué)們動手操作的積極性，此外學(xué)生可以快速觀察實(shí)驗(yàn)過程的各個參數(shù)變化和仿真結(jié)果，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時間從而提高了課程學(xué)習(xí)效率。

結(jié)束語

在引入Multisim仿真軟件實(shí)驗(yàn)后，通過相關(guān)傳感器類課程的實(shí)踐，收到了很好的教學(xué)效果。仿真實(shí)驗(yàn)與理論課堂教學(xué)相配合，既能驗(yàn)證理論知識，又提高了學(xué)生的實(shí)際動手能力和學(xué)習(xí)興趣，并且仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的不足，能夠讓學(xué)生全程參與到實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計、分析和實(shí)驗(yàn)過程中，有利于學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和設(shè)計開發(fā)能力的培養(yǎng)，也加強(qiáng)了教學(xué)的互動性，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李良榮，李震，顧平.NI Multisim電子設(shè)計技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2]潘曉明，龔軍，汪小燕.正確運(yùn)用Multisim器件模型仿真NE5532最大輸出幅值[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（8）：98-101.

[3]陳莉.Multisim在電路分析課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子世界，2017，（6）：60.

作者簡介：

白沖沖，男，碩士，西南交通大學(xué)希望學(xué)院，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，機(jī)器人控制等。