Multisim在電子電路教學(xué)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)電子線路的分析、設(shè)計(jì)方法首先是根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)電路及其元件參數(shù),在簡化電路的基礎(chǔ)上,對電路進(jìn)行手工估算,然后在實(shí)驗(yàn)室搭建電路,使用儀器、儀表進(jìn)行測試,驗(yàn)證是否滿足指標(biāo)要求。仿真軟件Multisim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”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。與傳統(tǒng)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。
1仿真軟件介紹
Multisim是用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件之一,屬于Electronics Workbench(EWB)系列軟件的高版本。EWB由加拿大Interactive。ImageTechnologies公司(IIT公司)于 1988年推出。IIT公司從EWB 5.0版本開始,將電路圖輸入仿真與設(shè)計(jì)的模塊更名為Multisim。隨著軟件的升級,2005年,公司將其命名為Multisim 9。其特點(diǎn)如下:
(1)Multisim是全功能電路仿真系統(tǒng)。
(2)Multisim是一個(gè)完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具。
(3)具有強(qiáng)大的仿真分析功能。
(4)具有多種常用的虛擬儀表。
(5)與NI相關(guān)虛擬儀器軟件的完美結(jié)合,提高了模擬及測試性能。
2仿真實(shí)例
下面分別以在電路分析、模擬電子電路中的實(shí)際電路分析來說明該軟件在電子電路中的應(yīng)用。
2.1 RC一階動(dòng)態(tài)電路的響應(yīng)
2.1.1.RC一階動(dòng)態(tài)電路的描述
動(dòng)態(tài)電路的過渡過程是十分短暫的單次變化過程,對時(shí)間常數(shù)較大的電路,可用超低頻示波器觀察其過渡過程。然而,若用一般的中頻示波器觀察過渡過程和測量有關(guān)的參數(shù),則必須使這種單次變化的過渡過程重復(fù)出現(xiàn)。為此,實(shí)驗(yàn)中利用信號發(fā)生器輸出的方波信號來模擬階躍激勵(lì)信號,即用方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵(lì)信號,利用方波的下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵(lì)信號,方波信號的周期大于電路的時(shí)間常數(shù)。電路在這樣的方波序列脈沖信號的激勵(lì)下產(chǎn)生的響應(yīng)過程,與直流電壓源的接通與斷開的過程類似。
2.1.2積分電路
2.1.3微分電路
2.1.4電路仿真
積分電路
取R=10 kΩ,C=100 nF,信號發(fā)生器的輸出為方波(幅值為2 V,偏移為2 V,頻率為1 kHz,占空比為50%)作為激勵(lì)電壓,其仿真電路圖如圖2所示。
微分電路
取R=510 Ω,C=100 nF,信號發(fā)生器的輸出為方波(幅值為2 V,偏移為2 V,頻率為1 kHz,占空比為50%)作為激勵(lì)電壓,其仿真電路圖如圖3所示。
2.2基本共射放大電路仿真
通過對圖4所示基本共射放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測試進(jìn)一步說明該軟件的功能及適用范圍。
2.2.1靜態(tài)工作點(diǎn)分析
確定靜態(tài)工作點(diǎn)的方法是動(dòng)靜結(jié)合,在電路的輸入端加上正弦信號(幅值為10 mV,頻率為1 kHz)。加上示波器(示波器的A通道接輸入端,B通道接輸出端),打開仿真開關(guān),雙擊示波器圖標(biāo),保持其他參數(shù)不變,調(diào)節(jié)電位器R的阻值(按A鍵阻值增大,按Shift+A鍵阻值減小,每次增減5%),同時(shí)觀測輸出信號波形和UCE讀數(shù)(由萬用表或電壓表測得),直至波形無失真且(此時(shí)電位器的阻值為50%),即可認(rèn)為電路的靜態(tài)工作點(diǎn)基本合適。當(dāng)確定了靜態(tài)工作點(diǎn)后,將輸入正弦輸入信號置為0 mV,由仿真結(jié)果可知,UC=7.869 V,UE=1.902 V,UB=2.543 V,IC=1.726 mA。
2.2.2動(dòng)態(tài)性能分析
放大器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)主要包括電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和幅頻特性分析。
(1)電壓放大倍數(shù)Au
當(dāng)放大器調(diào)整到合適的靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí),加入輸入電壓(10 mV的正弦信號),用萬用表或電壓表測出輸入電壓Ui和輸出電壓Uo的值,則接上負(fù)載是電壓放大倍數(shù)為:
負(fù)載開路時(shí)電壓放大倍數(shù)為:
可知,電壓的放大倍數(shù)與負(fù)載有關(guān),負(fù)載開路時(shí)電壓放大倍數(shù)增大。
(2)輸入、輸出電阻
輸入電阻Ri是指從放大器的輸入端看進(jìn)去的等效電阻,它表明放大器對信號源的影響程度;輸出電阻Ro是指從放大器的輸出端看進(jìn)去的信號源等效電阻。
式(5)中的Ui和Us分別是輸入端與信號源之間串入的已知電阻和不加電阻時(shí)所測得的輸入值,Rs即為所串入的電阻值,其阻值的大小取為1~2 kΩ;式(6)中Uo和UL分別是負(fù)載開路和接上負(fù)載時(shí)的輸出值,其測試圖如圖5所示。
在圖5中通過開關(guān)J1控制在輸入端是否串入電阻,開關(guān)J2控制是否加入負(fù)載。通過萬用表測得數(shù)據(jù)可計(jì)算出輸入電阻Ri=9.57 kΩ,輸出電阻Ro=2.4 kΩ。
(3)幅頻特性
放大器的幅頻特性是指放大器的電壓放大倍數(shù)與輸入信號頻率之間的關(guān)系曲線。在Multisim中頻率特性的測試方法有兩種:直接測量法和掃描分析法。
?、僦苯訙y量法
將波特圖儀連接在電路中,如圖5所示。雙擊波特圖儀,仿真后,放大電路的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖6所示??芍孪揞l率fL=21.319 Hz,上限頻率fH=1.82l MHz,則通頻帶BW=fH-fL=1.821 MHz。
?、趻呙璺治龇?/p>
通過單擊Simulate→Analyses(AC Analysis菜單,在彈出的對話框中“Output”欄選擇輸出節(jié)點(diǎn)MYM7,設(shè)置完成后點(diǎn)擊Simulate按鈕進(jìn)行分析。得到電路的幅頻特性和相頻特性曲線圖同圖6所示一致,且與理路論分析結(jié)果完全吻合。
3結(jié)語
利用Multisim對RC一階動(dòng)態(tài)電路及共射極放大電路主要性能指標(biāo)的分析是一種方便、易行的方法,省去了在電子電路教學(xué)中用實(shí)際元器件安裝調(diào)試電路的過程,能啟發(fā)學(xué)生從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)思維過渡到對電路的分析、故障的排除和電路的設(shè)計(jì);降低了實(shí)驗(yàn)成本,彌補(bǔ)了硬件環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,對更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有著非常重要的作用。另外還可利用Multisim軟件自身提供的交流分析、噪聲分析等來優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和分析。