Multisim 11在模拟电子技术实验中的应用

2013-05-16杨晓苹吕联荣刘津丽郭晓倩

实验室研究与探索 2013年2期

刘君，杨晓苹，吕联荣，刘津丽，郭晓倩

（天津理工大学电子信息工程学院薄膜电子与通信器件天津市重点实验室，天津 300384）

0 引言

“模拟电子技术”是电子类专业一门重要的专业基础课，是一门理论联系实际非常紧密的课程［1］，可以视为工科学生进入工程领域的第一门课程，也是联系公共基础课程与专业课程的一座重要桥梁。该门课程主要以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向，具有很强的理论性和实践性［2］。而学好该门课程，很重要的一个方法就是理论和实验相结合，在理论学习过程中必须以实验为基础［3］，培养学生自己动手、分析和解决问题的能力。但是作为一门基础学科，几乎所有的院系学生都要学习该门课程，而且随着电子技术的高速发展，新器件、新电路不断涌现，现有实验室的条件已无法满足各种电路的设计和调试要求［4］，在一定程度上影响了本课程的教学效果，影响了学生创新能力的培养。如果能够在实验教学中引入具有强大分析、仿真电路功能的电路仿真设计软件Multisim11，可以较好地解决这一问题。

1 Multisim11概述

Multisim11是美国国家仪器有限公司最新推出的一款原理图捕获和交互式仿真软件，是早期的Electronic Workbench（EWB）的升级换代的产品，是目前最易用、最直观的仿真软件。它主要完成电路设计的原理图输人、电路仿真和PLD设计功能。其人性化的界面、庞大的虚拟器件仪表库和完善的分析方法，能胜任电路设计与仿真的绝大部分场合，可对实际模拟电路、数字电路及模数字混合电路进行有效的模拟仿真分析。该软件特色体现在它将各种虚拟仪表非常逼真地与电路原理图放置在同一操作界面上进行各项参数和波形的测试，以图形化的方式消除了传统电路仿真的复杂性，帮助教育工作者、学生和工程师使用先进电路分析技术。

Mulitisim11仿真软件具有以下主要功能［5］：① 全面集成化的设计环境;②图形工作界面友好、易学、易用、操作方便;③ 具有丰富的元件库;④ 强大的分析功能;⑤ 强大的虚拟仪器仪表功能;⑥ 具有VHDL/Verilog的设计和仿真功能;⑦ 高效的“实时仿真”模式，在仿真的同时，允许修改电路的结构和元件参数，并且可以立即进入新的状态开始仿真;⑧提供多种输入输出接口（可以与其他EDA软件结合使用）;⑨ 新增加了对51系列单片机、PIC单片机的支持，可以把单片机的实验直接在计算机上模拟运行，得到高精度的仿真数据，使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普遍电路融为一体仿真的局限。更重要的是，Multisiml1使电路原理图的仿真与完成PCB设计的Uhiboard11仿真软件结合起来一起构成新一代的EWB软件，使电子线路的仿真与PCB的制作更为效。Multisim11也可以与NI LabVIEW测量软件结合，帮助工程师明确自定义分析，改进设计验证。

鉴于此，如果具备一台电脑和一套软件就可以构成一个虚拟的实验工作台［6］。学生在虚拟环境下完成电子技术课程设计的选择元件、创建电路、计算与调整参数以及观测仿真结果等中心环节，并且设计与实验同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便;同时，利用软件库中的测试仪表进行测试，可以完成各种类型的电路设计与实验。最后进行实物组装、调试，实现了电路设计的优化而保证达到设计要求。

2 Multisim 11在模拟电子技术实验教学中的应用

通常模拟电子技术课程基本分为10几个单元模块，各个模块分析方法和研究内容也不同，学生学习起来感觉内容多、乱，难以掌握透彻，甚至有学生把它称为“魔鬼电路”［7］。传统实验方法多采用验证性实验进行练习，学生做实验往往囫囵吞枣，很少去研究为什么;然而采用Multisim11作为实验课程教学的辅助教学手段和实验工具，不仅弥补了由于实验场地、仪器设备和经费缺乏等因素带来的不足，避免了因误操作而对仪器造成的损坏，而且对于某些实验中不易观察到的现象，也可以进行模拟仿真。可以预见将Multisim11仿真与操作引入课堂辅助教学可以发挥重要的作用［8］。

2.1 负反馈的引入

在放大电路的设计中，引入负反馈以改善放大电路的性能，其性能的改善取决于反馈深度，反馈越深［9］，放大电路的性能越优良，对于运放电路有无反馈会有着巨大的差别。在Multisim11的电路窗口中建立如图1所示电路。

图1 负反馈放大电路

该电路以集成运放 LM307为核心［10］，用一个开关来控制电路有无负反馈的存在。用示波器来观察反馈时的情况。其中，输入信号V1是一个交流电压源信号。示波器的A通道接输入信号，B通道接输出信号。开关打向左边时，没有负反馈，输入、输出的信号波形如图2所示：上部分为A通道的波形（输入波形）;下部分为B通道的波形（输出波形）。可以看到，此时输出波形已经严重失真。开关打向右边时，加入电压串联负反馈，输入、输出的信号波形如图3所示，上部分为A通道的波形（输入波形），下部分为B通道的波形（输出波形）。可以看出，此时输出信号波形没有失真，但输出信号的幅度减小了，与理论上引入负反馈放大倍数降低了，减少非线性失真是相符合的。通过引入Multisim11，利用仿真演示实验，通过虚拟仪器直观地反映出来负反馈引入后电路的改善情况，可以有效地提出问题、解决问题，学生带着问题去学习可以激发学习兴趣。

图2 无负反馈输出波形

图3 有负反馈输出波形

2.2 反馈组态的讨论

在课堂上将组态的时候都是采用框图的方式进行讲解，这种方式从理论角度进行了分析，但是讲课速度慢、枯燥、不够形象，如果能够有实际的电路在教学中进行辅助会取得意想不到效果。在Multisim11中，我们可以画出如图4所示的负反馈电路，分别在电路的输入和输出端加入开关用于鉴别反馈的组态，将开关S1打开、S2闭合时，此时输出端短路，由示波器可以看到反馈信号消失，可以判定为电压负反馈，相反的如果仍然有负反馈信号，则为电流负反馈;同理将开关S1闭合、S2打开时，输入端信号短路，由示波器可以观测负反馈信号，如果仍然有负反馈信号，可以判定该电路为串联反馈，相反的，如果负反馈信号消失，表明该负反馈为并联负反馈。以此类推利用Multisim11可以对电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈电路得到相同的结论。利用Multisim11的实时仿真结果，能够更好的表现具体电路的工作原理，可以简洁、清晰地将电路规律展示出来，避免了繁琐的推证，使学生更容易理解和掌握知识，从而使原本枯燥的理论知识学习起来妙趣横生。

图4 电压串联负反馈

2.3 负反馈放大电路对电路的影响

通过对Multism11中的电路的分析，利用示波器可以得到加入负反馈前后的输出波形，通过对比我们发现：没有负反馈时，电路输出信号失真;加入负反馈后输出信号波形没有失真，但输出信号的幅度减小了，与理论上引入负反馈放大倍数降低了，减少非线性失真是相符合的。那么除了有这种影响，负反馈的加入对电路性能还有什么影响呢?我们可以继续用Multisim11进行分析。我们可以利用波特仪分析分析其幅频特性曲线，通过对比引入负反馈前后的幅频特性曲线图可以得到“展宽通频带是以降低增益为代价”的结论;通过温度扫描的瞬态分析波形可以得到“由于负反馈对电路的作用提高了电路的稳定性的结论”，通过对参数的扫描的瞬态分析，可以得到“电压串联负反馈提高了电路的稳定性，降低了器件的精度要求”的结论［11-13］。

模拟电子技术课程中涉及到很多知识，仅靠教材和参考书不可能全面理解，通过将Multisim11引入实验课堂，将典型电路在实验课堂上进行分析测试，对实际参数进行测量［14］，并将仿真结果进行实时的展示，一方面能开阔学生视野，引发学习兴趣，巩固和加深理解所学知识，拓宽专业知识面，促使其将理论与实际相联系;另外也能够促使学生能够自主学习，自主实践，提高综合运用能力，培养基本的科研技能和创新能力以适应现代电子信息技术发展和市场经济对人才培养的迫切需求［15-17］。

3 基于Multisim11的综合应用

在2011年全国大学生电子设计大赛中E题中有一个模拟滤波器的设计，如果采用传统方法设计滤波器，从选器件到电路设计，然后焊接电路，再进行调试。这样做必然会浪费许多时间，特别是在有限的竞赛时间内如何快速准确的设计相关电路并进行调试一直是一个难题，Multisim的出现很好的解决了这一过程。

根据题意：设计3个低通滤波器，用来模拟传输信道的幅频特性：①每个滤波器带外衰减不少于40 dB/十倍频程;② 三个滤波器的截止频率分别为100、200、500 kHz，截止频率误差绝对值不大于10%;③ 滤波器的通带增益AF在0.2～4.0范围内可调。根据条件①可以选择三阶低通滤波器;根据条件②则－3 db处的截止频率应控制在10%;根据条件③所设计的滤波器电路增益为1，可在滤波器的输出端外接一个放大倍数可调的运放电路。综上所述，为了能够在较短的时间内设计好滤波器并达到题目要求Multisim11能够提供我们很大的帮助。如图5所示，采用一个一阶有源低通滤波器和一个二阶有源低通滤波器级联而成，从而避免了前后级输入输出电阻的相互影响，根据已知条件通过查表可以很快的计算出电阻和电容的值，通过Multisim11自带的波特仪可以很快地测量出在截止频率附近的衰减情况，如图6所示，符合满足设计条件，达到滤波的设计目标。

图5 滤波器设计电路

图6 波特仪分析结果

4 结语

利用Multisim11可以大幅度增加了课堂教学的内容，学生可以随时随地在电脑上的进行实验和练习，内容也可以任意选择，还可以在多媒体环境下进行实课前预习，提高了教学效果。通过Multisim11促进了学生创新意识和创新能力的培养，为学生开展创新科技活动营造了良好的条件，学生通过仿真软件对电路中各个元器件参数的不断改变，更清楚地了解了电路性能的改变情况，不仅让学生学会调试电路和设计电路，提高了对电路的认知能力，还激发了学员学习的积极性和主动性，能在更深、更广、更自如的环境内探索。

（References）：

［1］唐民丽，吴恒玉.Multisim2001在模拟电子技术多媒体课堂教学中的应用［J］.装备制造技术，2006（4）：158-159.

［2］康华光.电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］晏湧，蓝波.“任务驱动”教学法在模拟电子技术实验中的应用［J］.实验技术与管理，2010（11）：253-254.

［4］张亚君，陈龙，牛小燕.Multisim在数字电路与逻辑设计实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2008，25（8）：108-110，114.

［5］沙春芳.Multisim10在模拟电子技术教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2011（3）：125-126.

［6］雷跃，谭永红.用Multisim10提升电子技术实验教学水平［J］.实验室研究与探索，2009，28（4）：24-27.

［7］闫俊荣，Multisim10仿真在模拟电子技术课程教学中的应用［J］.高师理科学刊，2011，31（1）：91-93.

［8］翟艳男，高玲.Multisim在电子技术多媒体教学中的应用研究［J］.现代教育科学，2010（1）：104.

［9］吴贞焕，钟庆宾，张新莲.负反馈放大电路稳定性动态仿真研究［J］.实验室研究与探索，2011，30（7）：34-36，53.

［10］聂典.Multisim9计算机仿真在电子电路设计中的应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［11］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.