MultiSIM在電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

福建省泉州市農(nóng)業(yè)學(xué)校 張艷紅

一、前言

傳統(tǒng)電子線路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是使用電子線路的分析方法，在最簡(jiǎn)易的電路圖上，根據(jù)需要的指標(biāo)設(shè)計(jì)電路、選擇元件參數(shù)并進(jìn)行手工估算。然后才開始搭建電路，使用選好的儀器或儀表進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證是否滿足指標(biāo)要求。但是設(shè)計(jì)出具有高實(shí)用價(jià)值的電子電路需要考慮的因素和問(wèn)題很多，在眾多類型中選用合適的器件的確不容易，特別是對(duì)于職業(yè)院校學(xué)生，設(shè)計(jì)之初往往經(jīng)驗(yàn)不足。而且，大規(guī)模集成電路的功能較多，內(nèi)部電路復(fù)雜，僅憑資料是很難掌握它們的各種用法。這就需要一個(gè)可以模擬現(xiàn)實(shí)的仿真軟件。

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真軟件，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使設(shè)計(jì)者能“如實(shí)”地選擇、更換元件，能“如實(shí)”地操作各種儀器、設(shè)備，進(jìn)行“現(xiàn)場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)，能快速地模擬、分析、驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的性能。往往用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。包括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。

使用Multisim仿真軟件，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，這種虛擬技術(shù)既省時(shí)又經(jīng)濟(jì)，而且還可避免實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的各種損壞和事故，在教學(xué)中更能節(jié)省時(shí)間和精力，有著廣泛的應(yīng)用前景。

二、MultiSIM軟件的介紹

Interactive Image Technologies公司曾推出了一個(gè)專門用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件EWB(Electronics Workbench)。由于EWB具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，引起了電子電路設(shè)計(jì)工作者的關(guān)注，迅速得到了推廣使用。但是隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，EWB5x版本的仿真設(shè)計(jì)功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足復(fù)雜電子電路的仿真設(shè)計(jì)要求。被美國(guó)NI公司收購(gòu)后，更名為NI Multisim，并將用于電路級(jí)仿真設(shè)計(jì)的模塊升級(jí)為Multisim，于2001年推出了Multisim 2001。Multisim 2001繼承了EWB界面形象直觀、操作方便、仿真分析功能強(qiáng)大、分析儀器齊全、易學(xué)易用等諸多優(yōu)點(diǎn)，并在功能和操作上進(jìn)行了較大改進(jìn)。而V10.0（即NI，National Instruments）是其推出的Multisim新版本。目前美國(guó)NI公司的EWB的包含有電路仿真設(shè)計(jì)的模塊Multisim、PCB設(shè)計(jì)軟件Ultiboard、布線引擎Ultiroute及通信電路分析與設(shè)計(jì)模塊Commsim4個(gè)部分，能完成從電路的仿真設(shè)計(jì)到電路版圖生成的全過(guò)程。Multisim、Ult iboard、Ultiroute及Commsim4個(gè)部分相互獨(dú)立，可以分別使用。

三、MultiSIM的功能和特點(diǎn)

MultiSIM是一種功能非常強(qiáng)大的電路仿真軟件，作為虛擬的電子工作平臺(tái)，提供了較為詳細(xì)的電路分析手段，可以對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的分析、動(dòng)態(tài)分析、暫態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真度分析、直流掃描分析、傳輸函數(shù)分析、用戶自定義分析和靈敏度分析等等，既可以對(duì)模擬、數(shù)字、模擬/數(shù)字混合電路、射頻電路進(jìn)行仿真，又能對(duì)部分微機(jī)接口電路進(jìn)行仿真，克服了實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)工作的限制。幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的各種性能，從而為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)良好的集成化的虛擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。比如其交流頻率分析類似于利用掃描儀對(duì)電路進(jìn)行仿真，可以準(zhǔn)確地得出電路的幅頻特性和相頻特性，分析結(jié)果能在分析表窗口中表現(xiàn)為直觀的幅頻特性和相頻特性曲線，以觀察電路的增益或相移。參數(shù)掃描分析則可用于需要讀某個(gè)元器件數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)的電路仿真，它可以讓電路中的某個(gè)元器件的參數(shù)在設(shè)置的數(shù)值段內(nèi)連續(xù)變化，然后將電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、頻率特性和瞬態(tài)特性等隨此參數(shù)的變化以圖形的方式顯示出來(lái)。

具體特點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)直觀的圖形界面

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)試儀器均可直接拖動(dòng)到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將他們連接起來(lái)，軟件儀器控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的。

(2)豐富的元器件

提供世界主流的元件，同時(shí)能方便對(duì)元件的各種參數(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，創(chuàng)建自己的元器件。

(3)強(qiáng)大的仿真分析功能

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、MUC仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋?/p>

(4)具有多種常用的虛擬儀表

提供了22種虛擬儀器進(jìn)行電路工作的測(cè)量。

(5)完善的后處理

對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行的數(shù)字運(yùn)算操作類型包括算術(shù)運(yùn)算、三角運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)行、對(duì)數(shù)運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算、向量運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等。

(6)詳細(xì)的報(bào)告

能夠呈現(xiàn)材料清單、元件詳細(xì)報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表、原理圖統(tǒng)計(jì)報(bào)告、多余門電路報(bào)告、模型數(shù)據(jù)報(bào)告、交叉報(bào)告等7種報(bào)告。

(7)提高了模擬及測(cè)試性能

與NI相關(guān)虛擬儀器軟件的完美結(jié)合，提高了模擬及測(cè)試性能。

四、MultiSIM在電子線路教學(xué)中的實(shí)例

1.單級(jí)放大電路的實(shí)驗(yàn)過(guò)程

把MultiSIM軟件安裝在計(jì)算機(jī)上，利用提供其提供的元件庫(kù)和虛擬儀器構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路原理圖。

(1)創(chuàng)建電路圖

首先在元件庫(kù)欄中選擇所需要的元件，然后拖曳到電路工作區(qū)適當(dāng)?shù)奈恢茫O(shè)置其參數(shù)，再用鼠標(biāo)畫導(dǎo)線連接電路。對(duì)于虛擬儀器的不同輸入端，可采用不同的顏色，這樣可以方便觀察結(jié)果.

(2)保存電路文件

電路生成后要保存電路，以免微機(jī)出現(xiàn)故障或方便以后調(diào)用。

(3)電路仿真分析

在實(shí)驗(yàn)中，為了與實(shí)際電路一致，三極管采用實(shí)際類型。仿真開始和停止只需按下該軟件右側(cè)的“啟動(dòng)/停止”開關(guān)。

①直流分析：直流工作點(diǎn)的分析是對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)，利用虛擬萬(wàn)用表測(cè)量電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。進(jìn)行直流分析時(shí)，電路中RL短路，Ce開路，交流信號(hào)源無(wú)效，可知三極管工作在放大區(qū)。

②參數(shù)分析：參數(shù)掃描分析是將電路參數(shù)值設(shè)置在一定的變化范圍內(nèi)，以分析參數(shù)變化對(duì)電路性能的影響，該電路中參數(shù)R3和Ce的值對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著直接的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)R3，選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。Ce則直接影響著電路的頻帶，由于射極旁路電容Ce對(duì)電路的低頻響應(yīng)特性起主要作用，放大電路的下限頻率減少，頻帶變寬。

③交流分析：用虛擬示波器可觀察電路輸入和輸出端的波形，如圖1，通過(guò)對(duì)電流的交流分析，可以得出電路的頻率響應(yīng)、幅頻和相頻曲線，也可估算中頻增益和上限截止頻率。從圖1中可以看出電路的輸入輸出波形反相及電路的通頻帶，根據(jù)各元器件的值算出電壓放大倍數(shù)。

圖1 交流分析（波形）

④瞬態(tài)分析：瞬態(tài)分析是一種非線性時(shí)域分析，它可以計(jì)算電路的時(shí)域響應(yīng)。分析時(shí)，可用直流電作為電路初始狀態(tài)，瞬時(shí)分析的結(jié)果（圖2）通常是分析節(jié)點(diǎn)的電壓波形，通過(guò)波形判斷電路的失真是不是非線性失真，從而進(jìn)一步改進(jìn)電路。

圖2 瞬態(tài)分析

2.單相橋式全控整流電路

從Multisim的電源箱及其基本工具箱里調(diào)出晶閘管及脈沖電壓源和電阻負(fù)載的模塊。按照單相橋式全控整流電路的電路結(jié)構(gòu)圖的要求聯(lián)接仿真模型，如圖3所示。

圖3 單相橋式全控整流電路仿真模型

晶閘管觸發(fā)信號(hào)是一個(gè)VCVS(電壓控制電壓源)與一個(gè)脈沖電壓源，使用改變脈沖電壓源的參數(shù)來(lái)改變觸發(fā)脈沖的寬度和延遲時(shí)間，晶閘管選用2N1559，R=200Ω。電路參數(shù)設(shè)置為：正弦電壓源為220V、50HZ，壓控電壓源設(shè)置為V1與V4相同，V2與V3相同。

按照以上觸發(fā)信號(hào)設(shè)置，仿真電路輸出波形如圖4所示。

圖4 單相橋式全控整流電路負(fù)載波形

3.三相橋式可控整流電路的建模及仿真

依照上述方法，調(diào)出相應(yīng)的仿真模塊，按照三相橋式可控整流電路結(jié)構(gòu)圖的要求聯(lián)接仿真模型，如圖5所示。

圖5 三相橋式可控整流電路的仿真模型

輸入信號(hào)源數(shù)據(jù)如下：

二極管型號(hào)選1S1888，R=200Ω正弦電壓源參數(shù)設(shè)置為：Voltage RMS為220V，Voltage offset為0，F(xiàn)requency為50HZ，Time delay為0，Damping Factor為0，Phase為0。按照以上設(shè)置，仿真電路輸出波形如圖6所示，從仿真波形來(lái)看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。

圖6 三相橋式可控整流電路負(fù)載波形

4.Boost電路的建模及仿真

Boost電路又稱為升壓變換器，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

式中D為占空比，從Multisim的電源箱及其基本工具箱里調(diào)出直流電壓源、脈沖電壓源、功率三極管、二極管和電阻負(fù)載的模塊。按照單相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)圖的要求聯(lián)接仿真模型。

功率三極管、電阻、電感和電容全部選用現(xiàn)實(shí)元件，二極管選用虛擬器件。功率三極管選ZVN33310F。參數(shù)設(shè)如下：

直流電壓源：100V；

受控電壓源：1V/V；

脈沖電壓源：Pulsed Value為30V，Pulse Width為0.5ms，Period為1ms。

按照以上設(shè)置，仿真電路輸出波形如圖7所示。

圖7 Boost電路負(fù)載波形

從仿真曲線可見(jiàn)與結(jié)果相符。說(shuō)明了仿真模型的正確性以及直觀快捷的特點(diǎn)。

五、結(jié)語(yǔ)

(1)利用Multisim軟件的仿真工具箱建立的電子線路典型電路動(dòng)態(tài)仿真模型，具有直觀、方便、靈活的特點(diǎn)。使得仿真過(guò)程更加方便、快捷，提高了效率和精度。

(2)通過(guò)對(duì)單相橋式全控電路、三相橋式可控整流電路以及Boost電路的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分證實(shí)了動(dòng)態(tài)仿真模型的正確性而且在仿真時(shí)可以隨便改變仿真參數(shù)，并用示波器隨時(shí)觀察仿真波形，使得仿真更加具有實(shí)時(shí)性、直觀性。

(3)在電子線路教學(xué)中引入Multisim仿真軟件作為教學(xué)輔助工具，不但可以將課本中的抽象原理賦予形象化，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，從而提高了教學(xué)效果。

總之，利用MuthiSIM軟件仿真電子線路實(shí)驗(yàn)，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的設(shè)備緊張、儀器陳舊、元器件損耗等不足，還大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐能力，如果用該軟件取代實(shí)際實(shí)驗(yàn)，顯然不能完全達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，實(shí)踐證明只有在教學(xué)中將現(xiàn)代化手段與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，才能達(dá)到事半功倍的效果。

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