基于Multisim12.0的電子線路課程設計初探

苑廣軍 秦文明 孫繼元

摘 要：為了提高電子信息專業(yè)學生對小信號模擬電子技術的應用能力，在實驗教學內(nèi)容中融入實際應用電路，并對典型應用電路進行模擬仿真，通過實例說明Multisim12.0仿真軟件在模擬電路實驗教學中的應用。實踐證明，合理地運用仿真技術，是打破傳統(tǒng)的“固定功能模塊+連線”的新的設計方法。

關鍵詞：Multisim12.0 電子線路 實驗教學 設計初探

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0170-03

當前由于部分學生創(chuàng)新意識弱、知識掌握不牢固和缺乏毅力，導致他們創(chuàng)新能力偏低，學習的效果不盡人意[1]。為改變這一狀況，引入Multisim12.0仿真軟件模擬實際電路，將多媒體及屏幕廣播應用于電子線路課程設計教學中，充分激發(fā)學生學習的興趣，調(diào)動他們的主觀能動性，使學生了解到模擬電子技術這門課程并不抽象，而是與工程實際緊密聯(lián)系著的，有著十分重要的實用價值。

電子線路課程設計是為配合模擬電子技術基礎課程的教學而開設的。首先采用EDA（電子設計自動化）技術中的Multisim12.0軟件來對模擬電路進行仿真運行，讓學生完成EDA技術方面的初步訓練，然后搭接出實際電路[2]。通過這一環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、綜合能力素質與工程實踐能力等方面均能進行全面的檢驗[3]。

1 Multisim12.0軟件簡介

電子線路課程設計所用的Multisim12.0是美國NI（國家儀器有限公司）推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作，12.0是目前該軟件的最高版本。它具有更加形象直觀的人機交互界面，包含了Source庫、Basic庫、Diodes等15個元件庫，提供了我們?nèi)粘３Ｒ姷母鞣N建模精確的元器件，比如：電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼管等等。模擬集成電路方面有各種運算放大器、其他常用集成電路。采用圖形方式創(chuàng)建電路，再結合軟件中提供的虛擬儀器：數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、四蹤示波器等對電路的工作狀態(tài)進行仿真和測試，設計者可以輕松地擁有一個元件設備非常完善的虛擬電子實驗室。

2 Multisim12.0軟件應用實例

為了培養(yǎng)學生在電子線路課程設計中對電路的分析能力、發(fā)現(xiàn)規(guī)律并驗證結果的綜合創(chuàng)新實踐能力，使學生掌握科學的學習方法，選擇了一些既實用又有代表性的課題：常用波形轉換發(fā)生器、雙電源共射極耦合差分放大電路（動、靜態(tài)分析）、微積分運算電路等。下面以直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源仿真為例，說明 Multisim12.0軟件的具體應用。

2.1 直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源總體結構

當前絕大多數(shù)設備及裝置都需要直流電源進行供電。這些直流電除了少數(shù)直接利用干電池和直流發(fā)電機外，大多數(shù)是采用把交流電（市電）轉變?yōu)橹绷麟姷闹绷鞣€(wěn)壓電源。直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源原理框圖如圖1所示。

直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成。電網(wǎng)供給的交流電壓（220 V，50 Hz）經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓，再通過濾波電路濾去交流分量，得到比較平直的直流電壓，但這樣的電壓會隨著交流電網(wǎng)電壓的波動或負載變化而變化，故在對直流供電要求較高的場合，還需要穩(wěn)壓電路，使輸出電壓更加穩(wěn)定。

2.2 直流串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理圖輸入

利用Multisim12.0軟件友好的操作界面，建立新文件，新建項目，創(chuàng)建電路圖，連接電路。直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源仿真電路如圖2所示，圖中虛框標注了四部分模塊組成。采用橋式整流，電容濾波電路，穩(wěn)壓電路是一個閉環(huán)的負反饋控制系統(tǒng)。

（1）原理分析。

假設由于負載電阻的變化（輸入電壓不變）引起輸出電壓瞬時降低時，通過R4、R5，調(diào)節(jié)的取樣電路，引起三極管基極電壓（）B成比例下降，由于三極管的，所以發(fā)射結電壓（）BE將減小，于是與構成的復合管的基極電流（IQ1）B減小，發(fā)射極電流（I）E隨之減小，管壓降（UQ1）CE增加，由于輸入電壓不變（），這樣輸出電壓就上升，反之，輸出電壓則下降。通過以上的負反饋控制，最終使輸出電壓穩(wěn)定，達到穩(wěn)壓效果。

2.3 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍

調(diào)節(jié)取樣電路中的值可改變輸出電壓。輸出電壓的最大值為：

輸出電壓的最小值為：

通過計算可以看出，調(diào)節(jié)的阻值就可以控制輸出電壓的范圍。這里，以保證調(diào)節(jié)到合適的阻值時，穩(wěn)壓輸出6 V。

3 仿真驗證

在Multisim12.0 軟件右側欄的仿真儀表中選擇Multimeter（萬用表）XMM1和XMM2分別測量三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE和輸出電壓，選擇四蹤示波器XSC1方便測試各點輸入輸出波形。

3.1 負反饋穩(wěn)壓仿真

改變負載阻值，分別調(diào)整為330、100和1K，萬用表XMM1和XMM2測量三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE和輸出電壓的值如表1所示。

由表1中的測量值可以看出，當負載變大時（330調(diào)整為1000），引起輸出電壓瞬時降低，三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE變大（39.12 V變?yōu)?9.25 V），導致輸出電壓由6.097V增至6.099V；當負載變小時（330 調(diào)整為100 ），引起輸出電壓瞬時升高，三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE變大（39.12 V變?yōu)?8.68 V），導致輸出電壓由6.097 V降至6.089 V，穩(wěn)壓6 V得以驗證。

3.2 穩(wěn)壓系數(shù)測量

衡量穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓的主要質量指標有輸出電阻，穩(wěn)壓系數(shù)和紋波系數(shù)。這里選取了穩(wěn)壓系數(shù)進行動態(tài)測試。在輸出端接入負載=330 ，當負載不變時，輸出電壓和輸入電壓的相對變化之比，即（式1），調(diào)節(jié)電源輸出值，模擬電網(wǎng)電壓波動10%，測得數(shù)據(jù)和如表2所示。將數(shù)據(jù)帶入（式1），得，可見輸出電壓相對穩(wěn)定。

3.3 仿真值與理論值對比

當電源電壓為220 V時，將仿真電路圖2中的滑頭調(diào)整為0%，用數(shù)字萬用表測量，得=3.628 V（理論值=3.77 V）；滑頭調(diào)整為100%，用數(shù)字萬用表測量，得=8.546 V（理論值=8.87 V）。與理論計算值對比，相對誤差為0.038%。

3.4 仿真波形

在仿真儀表中選擇四蹤示波器XSC1，測得直流穩(wěn)壓電源電路各點電壓波形如圖3所示。電源電壓正弦波經(jīng)整流橋整流輸出為，再經(jīng)濾波得到紋波，最后在負反饋穩(wěn)壓電路作用下輸出比較平滑的直流電壓。通過觀測仿真波形，比較直觀地驗證了直流串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理的正確性。

4 結語

模擬電子技術是電力工程類包括電子信息專業(yè)的一門技術基礎課，它是研究各種半導體器件的性能、電路及其應用的學科，只要與電子行業(yè)有關的都要用到模擬電路，晶體管，集成運放，反饋，直流穩(wěn)壓電源是我們常用的器件和電路。通過Multisim12.0 仿真軟件在電子線路實習中的應用，使概念原理多、理論性強、比較抽象、學生理解起來很費勁的模電課程學起來更輕松，學生能夠獲得成就感，提高了學生的學習興趣，對后續(xù)課程的學習打下了良好的基礎。

參考文獻

[1] 苑廣軍，孫繼元.工程對象教學法培養(yǎng)創(chuàng)新能力的應用研究[J].實驗技術與管理，2014，31（2）：21-22.

[2] 趙瑩.電子系統(tǒng)實習教程[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3] 孫繼元，苑廣軍.論培養(yǎng)電氣信息類本科學生的創(chuàng)新實踐能力[J].科技信息，2011（24）：506.