Multisim 10在模擬電路實驗中的應(yīng)用及研究

摘 要:隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，電路設(shè)計可以通過計算機的輔助分析和仿真技術(shù)來完成。Multisim軟件以其強大的實時交互性、信息的集成性和生動直觀性，為電子專業(yè)實驗教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺。以Multisim 10軟件在模擬電路實驗應(yīng)用為例，詳細介紹了“單管放大電路”的創(chuàng)建、靜態(tài)和動態(tài)的分析與仿真。通過分析仿真結(jié)果，使讀者深刻理解相應(yīng)的模擬電路知識，提高分析解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞:放大電路; EDA; 靜態(tài)分析; 動態(tài)分析

中圖分類號:TN919; TP316文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0192-05

Application of Multisim 10 Software in Experiment of Analog Circuits

ZHU Hua-guang

(Zhejiang Traffic Technician College，Jinhua 321015， China)

Abstract:

The circuit design can be completed by computer-assisted analysis and emulation technique with the development of EDA technology. Multisim is a perfect software for experiment teaching of the electronic major since it contains the strong real-time interaction， information integration and the vivid intuition. Taking Multisim 10 software as an example in the analogous circuit experiment， the establishment of single amplifying circuit， the static/dynamic analysis and emulation are introduced. The relevant knowledge of analogous circuits is passed on to the readers through analyzing the emulation results to improve their capability of solving the problems.

Keywords: amplifying circuit; EDA; static analysis; dynamic analysis

收稿日期:2010-03-22

模擬電路實驗課是通過實驗手段，培養(yǎng)學(xué)生在模擬電路方面使用電子儀器、設(shè)計及調(diào)試電路等方面的實際動手能力。由于傳統(tǒng)方法受實驗設(shè)備、場地和時間限制，同時還存在著教學(xué)理念陳舊，實驗效率低等問題，所以計算機的輔助分析及仿真技術(shù)在電子實驗運用中得到了廣泛的應(yīng)用。Multisim有一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境，具有直觀的圖形界面，龐大的元器件庫，強大的仿真能力和分析功能，完善的虛擬儀器功能，從而成為各類學(xué)校電工、電子實驗教學(xué)的首選工具軟件。

1 建立仿真電路

在Multisim 10電路窗口中建立如圖1所示單管放大器仿真電路[1]。設(shè)置信號源“XFG1”幅度為10 mV，頻率為1 kHz的正弦波信號，開關(guān)K1，K2設(shè)為閉合，K3設(shè)為打開狀態(tài)，Rw可調(diào)電位器取值為50%。

2 靜態(tài)分析

當(dāng)輸入信號ui=0，確定靜態(tài)工作點，求解電路中有關(guān)的電流、電壓值等[2]。

圖1 單管放大器仿真電路

2.1 萬用表測量靜態(tài)工作點

設(shè)置信號源輸出為0 V，打開仿真開關(guān)，分別讀出萬用表“XMM1”，“XMM2”和“XMM3”的電壓值，UB=229 V，URC=3314 V，UCE=7018 V，如圖2所示。讀出測量值并計算靜態(tài)工作點:ICQ=1.105mA，UCEQ=7018 V。

2.2 直流工作點分析

直流工作點分析也是確定靜態(tài)工作點的一種方法。選擇Simulate菜單中的Analyses-DC Operating point Analysis進入設(shè)置，在設(shè)置“Output”項中選擇V(2)，V(3)和V(4)為輸出項，如圖3所示。單擊“Simulate”按鈕，顯示如圖4所示的輸出電壓值。

圖2 讀出萬用表電壓值

圖3 Output選擇界面

圖4 輸出電壓值

2.3 溫度變化對靜態(tài)工作點的影響

溫度掃描分析方法是分析溫度變化對靜態(tài)工作點的影響[3]。設(shè)置信號源輸出為10 mV，1 kHz的正弦波信號，選擇“Simulate”菜單中的“Temperature Sweep Analysis”進入設(shè)置，在“Analysis Parameters”選項中進行起始、終止溫度的設(shè)置，如圖5所示，并單擊“Edit Analysis”按鈕，設(shè)置開始時間與結(jié)束時間，然后設(shè)定“Output”V(4)為輸出項，再進行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示，輸出電壓V(4)隨溫度升高而下降。

2.4 靜態(tài)工作點設(shè)置對輸出波形的影響[2]

建立如圖7所示仿真電路。選擇“Simulate”菜單中的“DC Sweep Analysis”進入設(shè)置，在“Analysis Parameters”選項中，“Source 1”設(shè)置為電壓源，并修改起始、終止和增加電壓值?！癝ource 2”設(shè)置為電流源，若電流源沒有顯示，可按下“Change Filer”按鈕，選中“Display submodules”選項。這時修改起始、終止和增加電流值，如圖8所示。“Output”選項中選擇輸出電流IC，若沒有顯示可按“Add device/model parameter”按鈕，在彈出對話框中的“Parameter”下拉菜單中查找。如圖9所示。

圖5 起始、終止溫度設(shè)置界面

圖6 仿真結(jié)果

圖7 仿真電路圖

最后進行仿真，當(dāng)負載電阻為3 kΩ時，輸出特性曲線作交流負載線[2]，估算出Q點的位置，如圖10所示。當(dāng)輸入信號較大時，Q點取的過高，容易產(chǎn)生飽和失真，反之，產(chǎn)生截止失真。

圖8 修改起始、終止和增加電壓值

圖9 輸出電流選擇界面

圖10 仿真中Q點位置

3 動態(tài)分析

動態(tài)分析的任務(wù)是計算輸入、輸出電阻、電壓放大倍數(shù)、最大不失真輸出電壓和幅頻特性等[4]。

3.1 輸入電阻測量

建立如圖11所示仿真電路。打開仿真開關(guān)，雙擊“XMM1”和“XMM4”兩萬用表，并將它們切換在交流電壓檔上，再雙擊“XFG1”函數(shù)信號發(fā)生器圖標(biāo)，逐步加大信號幅度，使“XMM1”萬用表顯示約10 mV左右，再讀出“XMM4”的電壓值，如圖12所示。輸入電阻(單位:kΩ):

Ri=UiIi=UiUs-UiR1=

10.10822.627-10.108×4.7≈3.78

3.2 輸出電阻測量

仿真電路如圖11所示，雙擊“XFG1”函數(shù)信號發(fā)生器圖標(biāo)，將信號幅度調(diào)整為10 mV。開關(guān)K3為斷開狀態(tài)(不帶負載電阻RL)，雙擊“XSC1”示波器，打開仿真開關(guān)，讀出輸出電壓約888.7 mV，如圖13所示。按下“L”鍵，開關(guān)K3閉合(接入負載電阻RL)，打開仿真開關(guān)，讀出輸出電壓約707.0 mV，如圖14所示。輸出電阻(單位:kΩ):

Ro=UoUL-1RL=888.7707.0-1×10=2.57

圖11 輸入/輸出電阻測量電路

圖12 XMM1和XMM4電壓值的讀取

3.3 電壓放大倍數(shù)

建立如圖1所示仿真電路，調(diào)整信號源輸出10 mV，1 kHz的正弦波信號。

3.3.1 不帶負載電阻RL

開關(guān)K3處于打開狀態(tài)，打開仿真開關(guān)，讀出如圖15所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=931.29 mV，Ui=9.99 mV，則電壓放大倍數(shù)AU=93.2。

3.3.2 帶負載電阻RL

開關(guān)K3處于閉合狀態(tài)，打開仿真開關(guān)，讀出如圖16所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=706.93 mV，Ui=9.99 mV ，則電壓放大倍數(shù)AU=70.8。

圖13 輸出電壓(一)

圖14 輸出電壓(二)

圖15 輸入和輸出電壓峰值(一)

3.3.3 帶負載電阻RL并考慮信號源內(nèi)阻

開關(guān)K3處于閉合、K1處于打開狀態(tài)，打開仿真開關(guān)，讀出如圖17所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=572.56 mV，Ui=9.99 mV，則電壓放大倍數(shù)AU=57.31。

3.4 最大不失真輸出電壓

為了獲得最大的動態(tài)范圍，應(yīng)將靜態(tài)工作點設(shè)置在交流負載線的中點[2]，在放大器正常工作的情況下，逐步增大輸入信號的幅度，并同時調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點，用示波器觀察Uo，當(dāng)輸出波形同時出現(xiàn)失真現(xiàn)象時，說明靜態(tài)工作點已調(diào)在交流負載線中點，然且調(diào)整輸入信號，使輸出幅度最大，且無明顯失真時，測出Uo的同時求出最大不失真輸出電壓Uopp。

圖16 輸入和輸出電壓峰值(二)

圖17 輸入和輸出電壓峰值(三)

連接如圖1所示的仿真電路，將K3閉合處于狀態(tài)，打開仿真開關(guān)，反復(fù)調(diào)整Rw和信號源“XFG1”輸出信號大小，使得輸出電壓最大且沒有明顯失真，讀出Rw約處于23%，信號源輸出電壓20 mV最大不失真輸出電壓如圖18所示，Uopp≈3.9 V。

圖18 最大不失真輸出電壓

3.5 放大器的幅頻率特性

3.5.1 頻率特性

放大器的頻率特性[5]是指放大器的電壓放大倍數(shù)AU與輸入信號頻率f之間的關(guān)系曲線。分為下限頻率fl、上限頻率fh和通頻帶fbw 。

3.5.2 幅頻特性曲線的測量

建立如圖19所示仿真電路，調(diào)整信號源輸出10 mV，1 kHz的正弦波信號。雙擊波特圖儀“XBP1”[6]。打開仿真開關(guān)，如圖20所示，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，讀出上限頻率fh=17.37 MHz，下限頻率fl=158 Hz，計算出通頻帶fbw=17.37 MHz。

圖19 幅頻特性測量電路

圖20 XBP1仿真結(jié)果

當(dāng)把耦合電容C1，C2和旁路電容Ce都改為1 μF時，低頻區(qū)電壓放大倍數(shù)急劇下降，下限頻率fl=7.59 kHz，通頻帶fbw減小明顯，如圖21所示。

如果要獲得較寬的通頻帶，可采用深度負反饋放大電路[3]，將圖19中的K1打開，旁路電容失效，幅頻特性曲線如圖22所示，但損失了可貴的電壓放大倍數(shù)。

圖21 改變C1，C2，Ce后的仿真結(jié)果

圖22 深度負反饋放大電路仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

放大電路中的“最大不失真輸出電壓”和“放大器的幅頻率特性”兩個概念在理論課中是比較難理解的兩個內(nèi)容，通過Multisim 10軟件仿真實驗?zāi)苤庇^反映其結(jié)果，正確理解基本概念。通過軟件的運用，使學(xué)生了解和掌握更多電子系統(tǒng)應(yīng)用的概念、知識和技術(shù)。建立起以應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目標(biāo)的學(xué)習(xí)觀念。

參考文獻

[1]唐贛，吳翔，蘇建峰.Multisim 10 Ultiboard 10原理圖仿真與PCB設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[2]高衛(wèi)斌.電子線路[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[3]秦世才，賈香鸞.模擬電路基礎(chǔ)[M].天津:南開大學(xué)出版社，1998.

[4]荊西京.模擬電子電路實驗技術(shù)[M].西安:第四軍醫(yī)大學(xué)出版社，168-172.

[5]顧江，魯宏.電子電路基礎(chǔ)實驗與實踐[J].南京:東南大學(xué)出版社，2008.

[6]熊偉，侯傳教，梁青，等.Multisim 7電路設(shè)計及仿真應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.