Multisim 11在模擬電子技術實驗中的應用

劉 君， 楊曉蘋， 呂聯(lián)榮， 劉津麗， 郭曉倩

（天津理工大學電子信息工程學院薄膜電子與通信器件天津市重點實驗室，天津 300384）

0 引言

“模擬電子技術”是電子類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，是一門理論聯(lián)系實際非常緊密的課程［1］，可以視為工科學生進入工程領域的第一門課程，也是聯(lián)系公共基礎課程與專業(yè)課程的一座重要橋梁。該門課程主要以半導體二極管、半導體三極管和場效應管為關鍵電子器件，包括功率放大電路、運算放大電路、反饋放大電路、信號運算與處理電路、信號產(chǎn)生電路、電源穩(wěn)壓電路等研究方向，具有很強的理論性和實踐性［2］。而學好該門課程，很重要的一個方法就是理論和實驗相結合，在理論學習過程中必須以實驗為基礎［3］，培養(yǎng)學生自己動手、分析和解決問題的能力。但是作為一門基礎學科，幾乎所有的院系學生都要學習該門課程，而且隨著電子技術的高速發(fā)展，新器件、新電路不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有實驗室的條件已無法滿足各種電路的設計和調試要求［4］，在一定程度上影響了本課程的教學效果，影響了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如果能夠在實驗教學中引入具有強大分析、仿真電路功能的電路仿真設計軟件Multisim11，可以較好地解決這一問題。

1 Multisim11概述

Multisim11是美國國家儀器有限公司最新推出的一款原理圖捕獲和交互式仿真軟件，是早期的Electronic Workbench（EWB）的升級換代的產(chǎn)品，是目前最易用、最直觀的仿真軟件。它主要完成電路設計的原理圖輸人、電路仿真和PLD設計功能。其人性化的界面、龐大的虛擬器件儀表庫和完善的分析方法，能勝任電路設計與仿真的絕大部分場合，可對實際模擬電路、數(shù)字電路及模數(shù)字混合電路進行有效的模擬仿真分析。該軟件特色體現(xiàn)在它將各種虛擬儀表非常逼真地與電路原理圖放置在同一操作界面上進行各項參數(shù)和波形的測試，以圖形化的方式消除了傳統(tǒng)電路仿真的復雜性，幫助教育工作者、學生和工程師使用先進電路分析技術。

Mulitisim11仿真軟件具有以下主要功能［5］：① 全面集成化的設計環(huán)境;②圖形工作界面友好、易學、易用、操作方便;③ 具有豐富的元件庫;④ 強大的分析功能;⑤ 強大的虛擬儀器儀表功能;⑥ 具有VHDL/Verilog的設計和仿真功能;⑦ 高效的“實時仿真”模式，在仿真的同時，允許修改電路的結構和元件參數(shù)，并且可以立即進入新的狀態(tài)開始仿真;⑧提供多種輸入輸出接口（可以與其他EDA軟件結合使用）;⑨ 新增加了對51系列單片機、PIC單片機的支持，可以把單片機的實驗直接在計算機上模擬運行，得到高精度的仿真數(shù)據(jù)，使得大規(guī)模可編程邏輯器件的設計和仿真與模擬電路、數(shù)字電路的設計和仿真融為一體，突破了原來大規(guī)模可編程邏輯器件無法與普遍電路融為一體仿真的局限。更重要的是，Multisiml1使電路原理圖的仿真與完成PCB設計的Uhiboard11仿真軟件結合起來一起構成新一代的EWB軟件，使電子線路的仿真與PCB的制作更為效。Multisim11也可以與NI LabVIEW測量軟件結合，幫助工程師明確自定義分析，改進設計驗證。

鑒于此，如果具備一臺電腦和一套軟件就可以構成一個虛擬的實驗工作臺［6］。學生在虛擬環(huán)境下完成電子技術課程設計的選擇元件、創(chuàng)建電路、計算與調整參數(shù)以及觀測仿真結果等中心環(huán)節(jié)，并且設計與實驗同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便;同時，利用軟件庫中的測試儀表進行測試，可以完成各種類型的電路設計與實驗。最后進行實物組裝、調試，實現(xiàn)了電路設計的優(yōu)化而保證達到設計要求。

2 Multisim 11在模擬電子技術實驗教學中的應用

通常模擬電子技術課程基本分為10幾個單元模塊，各個模塊分析方法和研究內容也不同，學生學習起來感覺內容多、亂，難以掌握透徹，甚至有學生把它稱為“魔鬼電路”［7］。傳統(tǒng)實驗方法多采用驗證性實驗進行練習，學生做實驗往往囫圇吞棗，很少去研究為什么;然而采用Multisim11作為實驗課程教學的輔助教學手段和實驗工具，不僅彌補了由于實驗場地、儀器設備和經(jīng)費缺乏等因素帶來的不足，避免了因誤操作而對儀器造成的損壞，而且對于某些實驗中不易觀察到的現(xiàn)象，也可以進行模擬仿真。可以預見將Multisim11仿真與操作引入課堂輔助教學可以發(fā)揮重要的作用［8］。

2.1 負反饋的引入

在放大電路的設計中，引入負反饋以改善放大電路的性能，其性能的改善取決于反饋深度，反饋越深［9］，放大電路的性能越優(yōu)良，對于運放電路有無反饋會有著巨大的差別。在Multisim11的電路窗口中建立如圖1所示電路。

圖1 負反饋放大電路

該電路以集成運放 LM307為核心［10］，用一個開關來控制電路有無負反饋的存在。用示波器來觀察反饋時的情況。其中，輸入信號V1是一個交流電壓源信號。示波器的A通道接輸入信號，B通道接輸出信號。開關打向左邊時，沒有負反饋，輸入、輸出的信號波形如圖2所示：上部分為A通道的波形（輸入波形）;下部分為B通道的波形（輸出波形）。可以看到，此時輸出波形已經(jīng)嚴重失真。開關打向右邊時，加入電壓串聯(lián)負反饋，輸入、輸出的信號波形如圖3所示，上部分為A通道的波形（輸入波形），下部分為B通道的波形（輸出波形）。可以看出，此時輸出信號波形沒有失真，但輸出信號的幅度減小了，與理論上引入負反饋放大倍數(shù)降低了，減少非線性失真是相符合的。通過引入Multisim11，利用仿真演示實驗，通過虛擬儀器直觀地反映出來負反饋引入后電路的改善情況，可以有效地提出問題、解決問題，學生帶著問題去學習可以激發(fā)學習興趣。

圖2 無負反饋輸出波形

圖3 有負反饋輸出波形

2.2 反饋組態(tài)的討論

在課堂上將組態(tài)的時候都是采用框圖的方式進行講解，這種方式從理論角度進行了分析，但是講課速度慢、枯燥、不夠形象，如果能夠有實際的電路在教學中進行輔助會取得意想不到效果。在Multisim11中，我們可以畫出如圖4所示的負反饋電路，分別在電路的輸入和輸出端加入開關用于鑒別反饋的組態(tài)，將開關S1打開、S2閉合時，此時輸出端短路，由示波器可以看到反饋信號消失，可以判定為電壓負反饋，相反的如果仍然有負反饋信號，則為電流負反饋;同理將開關S1閉合、S2打開時，輸入端信號短路，由示波器可以觀測負反饋信號，如果仍然有負反饋信號，可以判定該電路為串聯(lián)反饋，相反的，如果負反饋信號消失，表明該負反饋為并聯(lián)負反饋。以此類推利用Multisim11可以對電壓并聯(lián)負反饋、電流串聯(lián)負反饋、電流并聯(lián)負反饋電路得到相同的結論。利用Multisim11的實時仿真結果，能夠更好的表現(xiàn)具體電路的工作原理，可以簡潔、清晰地將電路規(guī)律展示出來，避免了繁瑣的推證，使學生更容易理解和掌握知識，從而使原本枯燥的理論知識學習起來妙趣橫生。

圖4 電壓串聯(lián)負反饋

2.3 負反饋放大電路對電路的影響

通過對Multism11中的電路的分析，利用示波器可以得到加入負反饋前后的輸出波形，通過對比我們發(fā)現(xiàn)：沒有負反饋時，電路輸出信號失真;加入負反饋后輸出信號波形沒有失真，但輸出信號的幅度減小了，與理論上引入負反饋放大倍數(shù)降低了，減少非線性失真是相符合的。那么除了有這種影響，負反饋的加入對電路性能還有什么影響呢?我們可以繼續(xù)用Multisim11進行分析。我們可以利用波特儀分析分析其幅頻特性曲線，通過對比引入負反饋前后的幅頻特性曲線圖可以得到“展寬通頻帶是以降低增益為代價”的結論;通過溫度掃描的瞬態(tài)分析波形可以得到“由于負反饋對電路的作用提高了電路的穩(wěn)定性的結論”，通過對參數(shù)的掃描的瞬態(tài)分析，可以得到“電壓串聯(lián)負反饋提高了電路的穩(wěn)定性，降低了器件的精度要求”的結論［11-13］。

模擬電子技術課程中涉及到很多知識，僅靠教材和參考書不可能全面理解，通過將Multisim11引入實驗課堂，將典型電路在實驗課堂上進行分析測試，對實際參數(shù)進行測量［14］，并將仿真結果進行實時的展示，一方面能開闊學生視野，引發(fā)學習興趣，鞏固和加深理解所學知識，拓寬專業(yè)知識面，促使其將理論與實際相聯(lián)系;另外也能夠促使學生能夠自主學習，自主實踐，提高綜合運用能力，培養(yǎng)基本的科研技能和創(chuàng)新能力以適應現(xiàn)代電子信息技術發(fā)展和市場經(jīng)濟對人才培養(yǎng)的迫切需求［15-17］。

3 基于Multisim11的綜合應用

在2011年全國大學生電子設計大賽中E題中有一個模擬濾波器的設計，如果采用傳統(tǒng)方法設計濾波器，從選器件到電路設計，然后焊接電路，再進行調試。這樣做必然會浪費許多時間，特別是在有限的競賽時間內如何快速準確的設計相關電路并進行調試一直是一個難題，Multisim的出現(xiàn)很好的解決了這一過程。

根據(jù)題意：設計3個低通濾波器，用來模擬傳輸信道的幅頻特性：①每個濾波器帶外衰減不少于40 dB/十倍頻程;② 三個濾波器的截止頻率分別為100、200、500 kHz，截止頻率誤差絕對值不大于10%;③ 濾波器的通帶增益AF在0.2～4.0范圍內可調。根據(jù)條件①可以選擇三階低通濾波器;根據(jù)條件②則－3 db處的截止頻率應控制在10%;根據(jù)條件③所設計的濾波器電路增益為1，可在濾波器的輸出端外接一個放大倍數(shù)可調的運放電路。綜上所述，為了能夠在較短的時間內設計好濾波器并達到題目要求Multisim11能夠提供我們很大的幫助。如圖5所示，采用一個一階有源低通濾波器和一個二階有源低通濾波器級聯(lián)而成，從而避免了前后級輸入輸出電阻的相互影響，根據(jù)已知條件通過查表可以很快的計算出電阻和電容的值，通過Multisim11自帶的波特儀可以很快地測量出在截止頻率附近的衰減情況，如圖6所示，符合滿足設計條件，達到濾波的設計目標。

圖5 濾波器設計電路

圖6 波特儀分析結果

4 結語

利用Multisim11可以大幅度增加了課堂教學的內容，學生可以隨時隨地在電腦上的進行實驗和練習，內容也可以任意選擇，還可以在多媒體環(huán)境下進行實課前預習，提高了教學效果。通過Multisim11促進了學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為學生開展創(chuàng)新科技活動營造了良好的條件，學生通過仿真軟件對電路中各個元器件參數(shù)的不斷改變，更清楚地了解了電路性能的改變情況，不僅讓學生學會調試電路和設計電路，提高了對電路的認知能力，還激發(fā)了學員學習的積極性和主動性，能在更深、更廣、更自如的環(huán)境內探索。

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