基于Multisim14的模擬電路仿真與研究

朱慧娟，李榮茂，劉洋，龐巧，孫靜

摘要：為了給居家辦公的學(xué)生和用戶(hù)提供一種更便捷、豐富的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，從Multisim14軟件的安裝步驟出發(fā)，以經(jīng)典模擬電路的仿真分析為例，詳細(xì)闡述了Multisim14的使用方法與經(jīng)典模擬電路的實(shí)現(xiàn)原理。重點(diǎn)闡述了基于Multisim14經(jīng)典模擬電路的構(gòu)建過(guò)程、電路的仿真現(xiàn)象，以及電路的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，深入探討了Multisim14在模擬電路中的應(yīng)用。對(duì)比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的結(jié)果表明，Multisim14的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室的高度一致，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也高度吻合。

關(guān)鍵詞：multisim14；模擬電路；仿真分析；三極管；共射基本放大電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.56? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）33-0084-03

1 引言

在電子電路發(fā)展的過(guò)程中，經(jīng)歷了三個(gè)經(jīng)典場(chǎng)景[1-3]。第一個(gè)場(chǎng)景采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，電子電路方案的提出、設(shè)計(jì)等過(guò)程都是人類(lèi)手工完成的；第二個(gè)場(chǎng)景是由人類(lèi)主導(dǎo)、計(jì)算機(jī)輔助人完成的階段，此時(shí)計(jì)算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、模擬評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等其中一項(xiàng)或多項(xiàng)工作，因此又稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”階段；隨著電子產(chǎn)品從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、低集成度到高集成化、微型化、低功耗等方向的發(fā)展，我們迎來(lái)了第三階段：電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，該階段中底層設(shè)計(jì)的大部分工作都是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的，而Multisim仿真軟件作為當(dāng)前第三階段重要的系統(tǒng)工具之一，被廣泛應(yīng)用于模擬電路、數(shù)字電路以及通信電路中，它不僅為使用者提供了豐富的虛擬電子元件和儀器儀表、省去了大量實(shí)際操作的時(shí)間，其仿真結(jié)果還可作為實(shí)驗(yàn)操作的重要參考依據(jù)。本文通過(guò)經(jīng)典模擬電路的仿真實(shí)現(xiàn)與分析，重點(diǎn)研究了Multisim仿真軟件在模擬電路中的使用，探索Multisim對(duì)模擬電路仿真的潛在功能與優(yōu)勢(shì)。

2 Multisim14的安裝與使用

Multisim14仿真軟件正式使用之前，首先要安裝、激活，其安裝方法與Multisim12等之前的版本類(lèi)似，具有操作簡(jiǎn)單、易于使用等特點(diǎn)。

安裝前的第一步需要解壓軟件安裝包mutm14.1_CN_x32，找到文件NI_Circuit_Design_Suite_14_1.iso。

第二步，雙擊打開(kāi)NI_Circuit_Design_Suite_14_1，雙擊可執(zhí)行文件autorun.exe開(kāi)始安裝。

第三步，選擇Install NI Circuit Design Suite 14.1，點(diǎn)擊NEXT，然后選擇軟件安裝路徑。

第四步，點(diǎn)擊NEXT，取消“Search for…”的勾選，點(diǎn)擊NEXT，勾選“許可協(xié)議”，點(diǎn)擊NEXT，直至安裝完畢。

軟件安裝完畢之后，需要對(duì)軟件進(jìn)行激活。

回到上述第三步中“軟件安裝路徑”的位置，雙擊打開(kāi)Crack文件夾，雙擊打開(kāi)NI License Activator 1.2.exe，對(duì)其中的文件分別依次選中后，右擊選中Activate，將灰框全部變?yōu)榫G色，激活完成。

Multisim14安裝、激活后，軟件操作界面默認(rèn)使用英語(yǔ)，與此同時(shí)還支持中文等多種語(yǔ)言，用戶(hù)可以根據(jù)自身需求來(lái)設(shè)置。

返回到軟件的安裝包位置，找到并雙擊打開(kāi)language文件夾，找到Chinese-simplified文件夾，將其復(fù)制到Multisim14.1安裝的盤(pán)中找到Circuit Design Suite 14.1，點(diǎn)擊stringfiles，把Chinese-simplified復(fù)制并粘貼于其中，漢化完成。重啟操作系統(tǒng)之后設(shè)置的功能即可生效。

為了方便快速打開(kāi)軟件，還可以將創(chuàng)建的Multisim14快捷方式放置于桌面。

3 Multisim14的基本功能與操作

如圖1所示打開(kāi)安裝好的Multisim14，可以觀(guān)察到Multisim14的工作界面由以下幾個(gè)部分組成，分別是菜單欄、設(shè)計(jì)工具箱Design Toolbox、電路工作區(qū)以及擴(kuò)展條SpreadSheet View等[4-6]。

菜單欄包括多個(gè)項(xiàng)目，F(xiàn)ile菜單、Edit菜單、View菜單、Place菜單、MCU菜單、Simulate菜單、Transfer菜單、Tools菜單、Reports菜單、Options菜單、Window菜單、Help菜單。

點(diǎn)擊View菜單欄的Toolbars選項(xiàng)，可以看到Multisim14提供的多種工具，“Components”對(duì)應(yīng)軟件中的元件庫(kù)，“Instruments”對(duì)應(yīng)儀器儀表，如圖2所示。

設(shè)計(jì)工具箱Design Toolbox界面主要用來(lái)顯示目前項(xiàng)目中具有哪些電路，借助層級(jí)的顯示讓整個(gè)目錄看起來(lái)層次分明，該工具箱下的Hierarchy、Visibility以及Project View標(biāo)簽的功能分別是分層顯示電路、顯示一個(gè)電路的不同頁(yè)面、是否顯示各個(gè)參數(shù)。

其中工作電路區(qū)是Multisim14工作界面最主要的部分，用來(lái)完成電路的搭建、連接、仿真等一系列操作。

接下來(lái)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路來(lái)熟悉該軟件的使用，例如電阻串聯(lián)電路的搭建。

首先，擺放好電路所需要的元件，軟件截圖如圖3所示。兩個(gè)阻值分別為1kΩ、2kΩ的固定電阻，值為5V的直流電源，一個(gè)參考接地點(diǎn)。

點(diǎn)擊菜單欄Place -Component，Database選擇“Master Database”，Group選擇“Sources”可以看到目前系統(tǒng)支持的Component元件類(lèi)型，選擇直流電源DC_POWER，點(diǎn)擊“OK”后可將直流電源放置在電路工作區(qū)，同樣的方法選擇接地點(diǎn)GROUND；固定電阻可以在Basic的Group下找到。元件擺放好之后，雙擊元件可以設(shè)置該元件的名稱(chēng)和值的大小，選中后右擊它可以旋轉(zhuǎn)元件的擺放位置，需要注意的是，不是所有元件都可以設(shè)置名稱(chēng)和大小。

第二步，將擺放好的電路連接起來(lái)，如圖4所示。

將光標(biāo)停留在元件上，當(dāng)光標(biāo)顯示成中間為黑色實(shí)心圓點(diǎn)的“十字”時(shí)，點(diǎn)擊并拖拽鼠標(biāo)左鍵即可從該元件引出一條導(dǎo)線(xiàn)，依此類(lèi)推，順次將電源V1、R1、R2、V1 連接起來(lái)，最后將接地點(diǎn)與R2相連。

第三步，確認(rèn)電路連接無(wú)誤后，對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，如圖5所示。

若要觀(guān)察電阻R2兩端的電壓，首先需要停止當(dāng)前的仿真動(dòng)作，然后從工作界面右側(cè)工具欄選中“<E：＼2022知網(wǎng)文件＼33＼5xs202233＼Image＼image9.png>”圖標(biāo)，或者點(diǎn)擊菜單欄“Simulate”-Instruments選中萬(wàn)用表的圖標(biāo)，將萬(wàn)用表拖拽至電路工作區(qū)。將萬(wàn)用表與電阻R2并聯(lián)即可觀(guān)察到R2兩端的電壓，具體操作是將萬(wàn)用表的兩個(gè)輸入端分別連接到R2的兩側(cè)導(dǎo)線(xiàn)上，如圖4所示。

電路仿真開(kāi)始后，雙擊萬(wàn)用表可以觀(guān)察到當(dāng)前電壓表的數(shù)值。

最后，將搭建好的電路進(jìn)行保存。保存的方法與其他軟件類(lèi)似，直接點(diǎn)擊菜單欄的“<”保存按鈕、點(diǎn)擊File菜單欄中的Save或者Save as選項(xiàng)，然后依次設(shè)置文件名和文件存放路徑。

實(shí)現(xiàn)某個(gè)電路的仿真，一般需要完成以上電路搭建、仿真分析、保存等步驟。電阻串聯(lián)電路是模擬電子技術(shù)中基本且常見(jiàn)的電路形式，對(duì)于經(jīng)典的信號(hào)放大電路如何通過(guò)Multisim14實(shí)現(xiàn)和分析，可以通過(guò)下面的例子來(lái)看。

4 經(jīng)典模擬電路仿真實(shí)現(xiàn)與分析

晶體三極管作為放大電路中最核心的元件，在信號(hào)放大電路中起著舉足輕重的作用，根據(jù)其連接形式的不同，放大電路可以分為共射、共集、共基三種情況，通常稱(chēng)之為“組態(tài)”[5-7]。

共射放大電路由于其優(yōu)異的電壓和電流放大作用，被廣泛應(yīng)用于各種放大電路中。接下來(lái)通過(guò)共射基本放大電路的搭建、仿真等實(shí)驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)一步深化Multisim在模擬電路仿真中的使用，探索Multisim對(duì)模擬電路仿真的潛在功能與優(yōu)勢(shì)。

如圖6所示為共射基本放大電路的電路原理圖[8]，此電路測(cè)試的目的在于改變電路的靜態(tài)共工作點(diǎn)，觀(guān)察靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇對(duì)電路輸出波形的影響。

由晶體三極管的輸出特性可知[9]，只有當(dāng)工作點(diǎn)選擇在放大區(qū)中間位置的時(shí)候，輸出電壓的波形才不易失真，否則極易產(chǎn)生飽和失真或截止失真。

在觀(guān)察電路輸出波形之前，首先需要保證晶體三極管處于放大工作狀態(tài)。

如圖7所示，電路中不接入交流信號(hào)源V1時(shí)，調(diào)節(jié)基極電阻R1使極C、發(fā)射極E兩端的電壓為10V，此時(shí)三極管Q1的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，從而保證其工作在放大區(qū)。

然后接入交流電源V1和電源內(nèi)阻RS，分別設(shè)置為10mV、1kHz和50Ω，把交流電源V1、負(fù)載RL兩端的電壓分別作為示波器A、B兩通道的輸入信號(hào)，觀(guān)察此時(shí)電路的輸入電壓和輸出電壓的波形。

如圖6所示，波形顯示為綠色的是輸入電壓，波形顯示為紅色的是輸出電壓。觀(guān)察圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓為10mV、1kHz時(shí)，輸出電壓將其放大了數(shù)百倍及以上，且輸入電壓與輸出電壓相位相反。

基極電阻RB為三極管提供了合適的基極電流，直流電源VCC、基極電阻RB、集電極電阻RC同時(shí)作用于三極管Q1時(shí)，為三極管工作在放大區(qū)提供了條件。當(dāng)V1的交流信號(hào)作用于三極管時(shí)，使得三極管Q1的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，三極管處于放大狀態(tài)，于是基極電流被放大，再通過(guò)集電極電流輸出，集電極電阻RC將輸出電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最后將負(fù)載RL兩端的電壓作為輸出電壓。另外由于電容元件具有“阻隔直流、通交流”的作用，因此交流信號(hào)可以順利通過(guò)電容C1作用到三極管發(fā)射結(jié)兩端，輸出端由于有了C2的作用，輸出電壓為交流信號(hào)，因此直流電流不會(huì)混入交流回路，交直流電路相互獨(dú)立、互不干擾。因此當(dāng)三極管處于放大工作狀態(tài)時(shí)，通過(guò)負(fù)載RL觀(guān)察到的輸出電壓的波形是對(duì)輸入電壓放大數(shù)倍后的結(jié)果。

調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻R1，使其自身百分之十五的阻值接入到電路中，由于R1阻值的減小，基極電流、集電極電流隨之增大。結(jié)合三極管輸出特性可知，當(dāng)基極電流不斷增大時(shí)，三極管極易進(jìn)入飽和區(qū)，靜態(tài)工作點(diǎn)停留在了飽和區(qū)，此時(shí)電路輸出電壓波形會(huì)產(chǎn)生飽和失真，從波形上來(lái)看輸出的電壓波形底部被截平，因此也稱(chēng)之為“底部失真”，如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下共射基本放大電路的操作步驟與上述一致，調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻R1使其接入電路中的阻值減小時(shí)，電路輸出波形同樣會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真，如圖9所示，輸出正弦波的底部被“削平”，與圖8中信號(hào)底部失真的波形類(lèi)似。波形被“削掉”的程度越大說(shuō)明信號(hào)失真的越嚴(yán)重，信號(hào)失真的程度與R1接入電路中的阻值有密切的關(guān)系，R1越小、信號(hào)失真得越嚴(yán)重。

類(lèi)似地，當(dāng)滑動(dòng)電阻R1接入電路中的阻值增大時(shí)，基極電流迅速減少，三極管極易進(jìn)入截止區(qū)，靜態(tài)工作點(diǎn)靠近截止區(qū)時(shí)，電路的輸出電壓會(huì)產(chǎn)生截止失真，從波形上來(lái)看電壓波形的頂部被截平，故稱(chēng)之為“頂部失真”。

5 結(jié)論

從以上內(nèi)容不難看出，Multisim14為用戶(hù)提供了豐富的元件庫(kù)和儀器儀表庫(kù)，開(kāi)發(fā)者可以按照自身需求調(diào)用，其安裝、使用過(guò)程都非常簡(jiǎn)單便捷。同時(shí)通過(guò)經(jīng)典模擬電路-共射基本放大電路的仿真與分析這一實(shí)驗(yàn)，更加熟悉了Multisim14的使用方法，Multisim14為模擬電路實(shí)驗(yàn)提供了便捷可靠的仿真環(huán)境，彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中因噪聲、溫度等外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象影響的缺陷，極大程度地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)本身的真實(shí)性，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)的可信度。

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