Multisim 10在模電教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：為了使模電教學(xué)更加具有直觀性和實(shí)踐性，將一種專(zhuān)門(mén)用于電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA軟件Multisim 10引入教學(xué)中。以模電課程中普遍反映比較抽象難學(xué)的3個(gè)知識(shí)點(diǎn)，即多級(jí)放大電路、放大電路的反饋和放大電路的頻率響應(yīng)特性為例，對(duì)一個(gè)多級(jí)放大電路進(jìn)行了仿真，并利用Multisim 10中的虛擬儀器和軟件提供的分析功能，顯示和分析了當(dāng)改變某個(gè)元件參數(shù)后對(duì)電路輸出結(jié)果的影響，說(shuō)明了利用Multisim 10能將模電教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)很好地融合在一起，使模電教學(xué)變得更加直觀清晰。另外不需要很大的成本也能很好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。實(shí)踐證明，將該軟件引入課堂，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞：Multisim 10；模擬電路；頻率響應(yīng)；反饋

0 引言
    模擬電子技術(shù)作為電子技術(shù)的一個(gè)分支，是一門(mén)入門(mén)性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課。由于內(nèi)容與后續(xù)的單片機(jī)、傳感器、自動(dòng)控制原理等專(zhuān)業(yè)課都直接關(guān)聯(lián)，因此各理工類(lèi)院校所有涉及電類(lèi)的專(zhuān)業(yè)都將其作為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的重要基礎(chǔ)課。但由于模電課程本身所具有的課程特點(diǎn)，初學(xué)者在剛開(kāi)始接觸這門(mén)課程時(shí)常會(huì)感到枯燥、抽象，難以入手。所以借助于Multisim軟件的虛擬仿真技術(shù)，不僅使學(xué)生在課堂上能通過(guò)觀看老師對(duì)電路的操作演示，更加直觀地理解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而且還能使每個(gè)人在課堂下都能親自動(dòng)手接觸電路，包括對(duì)元件的選擇、參數(shù)的設(shè)定，以及電路輸出結(jié)果的測(cè)試分析。因此很好地解決了理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手相脫節(jié)的老大難問(wèn)題，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率都大為提高。

1 Multisim 10軟件特點(diǎn)介紹
    Multisim 10是一種專(zhuān)門(mén)用于電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA軟件之一，是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具。它不僅具備電路設(shè)計(jì)功能，還能對(duì)整個(gè)電路信號(hào)及系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，正好符合了NI公司所提出的“把實(shí)驗(yàn)室裝進(jìn)PC機(jī)中”“軟件就是儀器”的理念。作為Multisim 9的升級(jí)版本，Multisim 10主要的特點(diǎn)包括：
    (1)交互式Spice仿真。通過(guò)提供的幾十種虛擬儀器和多種分析功能，迅速了解電路行為。
    (2)通過(guò)直觀的電路圖捕捉環(huán)境，輕松設(shè)計(jì)電路。
    (3)電路限制(Circuit Restrictions)功能為教學(xué)者提供了設(shè)定隱藏錯(cuò)誤的能力，以便教導(dǎo)問(wèn)題的排除技巧。
    (4)Multisim 10新增的Ladder Diagram，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)控制理論。
    (5)NI ELVIS Breadboard View允許學(xué)生在實(shí)時(shí)的3D面包板環(huán)境中制作自己的電路，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
    (6)可進(jìn)行高級(jí)電路設(shè)計(jì)，供進(jìn)階設(shè)計(jì)課程或研究項(xiàng)目使用。

2 仿真實(shí)例
    反饋放大電路是模電的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。另外，在傳統(tǒng)的畫(huà)圖和板書(shū)的教學(xué)方法下，模電中放大電路的頻率響應(yīng)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)也常因?yàn)槠涑橄笮远箤W(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感到非常吃力，所以在這里就以這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)為代表，在Multisim仿真環(huán)境下通過(guò)對(duì)一個(gè)兩級(jí)放大電路的分析來(lái)說(shuō)明該軟件對(duì)模電教學(xué)的重要輔助作用。

    在Multisim軟件中建立一個(gè)如圖1所示的兩級(jí)放大電路，各元件參數(shù)如圖1所示。其中，2個(gè)晶體管均為β=100，rbb'=300 Ω，Cb'e=4 pF，Cb'c=41pF。
2．1 將開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，電路中暫不引入級(jí)間反饋
2．1．1 靜態(tài)分析
    靜態(tài)分析即分析電路中的靜態(tài)工作Q點(diǎn)，在基于電路電感短路、電容開(kāi)路的基礎(chǔ)上可直接利用Multisim中的直流工作點(diǎn)(DC Operating Point)分析功能快速便捷地進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算，分析結(jié)果如圖2所示。

    可見(jiàn)，UBQ1=1．984 64V，UEQ1=1．209 79 ，UCQ1=9．235 82V，UBQ2=2．959 91V，UEQ2=2．159 63V，UCQ2=7．723 51V。
2．1．2 瞬態(tài)分析
    瞬態(tài)分析(Transient Analysis)是一種非線性時(shí)域分析，是在給定輸入激勵(lì)信號(hào)時(shí)，分析電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)。啟動(dòng)瞬態(tài)分析時(shí)，可直接利用程序分析出的直流參數(shù)值作為初始狀態(tài)，然后定義出起始時(shí)間和終止時(shí)間，Multisim便可以自動(dòng)調(diào)節(jié)合理的時(shí)間步進(jìn)值，或由用戶自行定義時(shí)間步長(zhǎng)，最后計(jì)算出輸出端在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸出電壓。

    當(dāng)放大電路輸入端通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)幅值為10 mV，頻率為500 Hz的正弦波信號(hào)時(shí)，進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到輸出電壓波形，如圖3所示。圖中輸出波形正半周和負(fù)半周的幅值大小不相等，并且正、負(fù)半周波形的幅值峰值會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，即發(fā)生了非線性失真。非線性失真由放大電路中的非線性元件(如晶體管)所造成。在Multisim中用失真度分析儀(Distortion Analyzer)測(cè)出此時(shí)的非線性失真度，即諧波總功率與基波總功率之比，為0．144％，如圖4所示。
2．1．3 頻率響應(yīng)特性分析
    頻率特性可通過(guò)在電路中連接波特圖示儀(Bode Plotter)來(lái)進(jìn)行分析，如圖5(a)、(b)分別為電路的幅頻特性和相頻特性。從圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電路在低頻段和高頻段時(shí)，電壓放大倍數(shù)開(kāi)始降低，相角也比中頻段時(shí)發(fā)生了偏移。從頻率響應(yīng)特性圖中可得中頻電壓放大倍數(shù)。當(dāng)電壓放大倍數(shù)下降至中頻電壓放大倍數(shù)的0．707時(shí)，下限頻率為fL≈65．544Hz≈65．5Hz，上限頻率為fH≈587．  25kHz ≈587kHz，通頻帶BW=fH-fL≈fH=587kHz。

2．2 將開(kāi)關(guān)K和上，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋
2．2．1 負(fù)反饋能減小非線性失真，拓展通頻帶
    引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，同樣可利用失真度分析儀分析出此時(shí)電路失真度為0．040％。可見(jiàn)，引入負(fù)反饋后，由于在保持信號(hào)基波成分不變的情況下，降低了諧波成分，所以減小了非線性失真。

    輸出信號(hào)的波特圖如圖6所示。圖中頻帶電壓放大倍數(shù)約為10，下限頻率fL≈10．561Hz≈10．5Hz，上限頻率為fH≈9．998MHz≈10MHz，通頻帶BW=fH-fL≈fH=10 MHz?？梢?jiàn)，引入負(fù)反饋后，電壓放大倍數(shù)雖然減小了，但通頻帶大大增加了。
2．2．2 參數(shù)掃描分析
    參數(shù)掃描分析是將電路參數(shù)設(shè)置在一定范圍內(nèi)變化，以分析參數(shù)變化時(shí)對(duì)電路性能的影響。相當(dāng)于對(duì)電路進(jìn)行多次不同參數(shù)的仿真分析，可快速檢驗(yàn)電路性能。參數(shù)掃描分析可分為3種：直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析和交流頻率分析。這里選用交流頻率分析來(lái)分析當(dāng)電路中的耦合電容C1和旁路電容Ce1大小改變時(shí)，對(duì)電路頻率響應(yīng)特性的影響，如圖7～圖9所示。

    圖7中3條曲線從左到右依次為C1取100μF，30μF，10μF時(shí)對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)幅頻特性曲線。圖中耦合電容C1值越大，則下限頻率越小，頻帶增寬。圖8顯示當(dāng)旁路電容越大，則下限頻率越小，頻帶增寬。并且當(dāng)C1和Ce2取100μF時(shí)，從中頻段到低頻段的幅頻特性曲線最接近一個(gè)矩形，低頻響應(yīng)特性最好。圖9說(shuō)明當(dāng)晶體管極間電容Cbc值越小，則上限頻率越大，可獲得良好的高頻響應(yīng)特性。

3 結(jié)語(yǔ)
    Multisim 10仿真軟件能夠有效地仿真電路結(jié)構(gòu)和分析電路的輸出結(jié)果，使模電的學(xué)習(xí)過(guò)程能夠更加直觀清晰。另外，不需要很大地成本投入也能鍛煉到學(xué)生的動(dòng)手能力，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率，對(duì)學(xué)生的思維創(chuàng)新開(kāi)拓有很大的幫助。