Multisim 仿真软件在电子设计改革中的应用

2015-05-26王晓明沈明新

中国教育技术装备 2015年22期

◆王晓明沈明新

作者：王晓明，辽宁科技大学电子与信息学院高级工程师，研究方向控制理论与控制工程；沈明新，辽宁科技大学电子与信息学院副教授，研究方向控制理论与控制工程（114044）。

1 引言

Multisim 软件是一种功能强大且易于使用的电子电路仿真软件。该软件可以对电路进行各种分析，如直流工作点分析、交流特性分析、傅立叶分析、失真度分析、暂态分析、噪声分析、灵敏度分析、零与极点分析、传输函数分析、最坏情况分析；可以进行直流扫描、温度扫描、参数扫描；可以对模拟电路、数字电路、模拟/数字混合电路进行仿真实验。它克服了传统的电子设计工作条件的限制及实验室工作环境制约，为用户提供了一个良好的虚拟实验环境，从建立电路开始到仿真分析及结果输出，都可以在电脑上独立完成，仿真手段完全模拟真实的实验环境，电子元器件和实验仪器的选用与实际情况基本相近，并且界面直观、可视[1-3]。在绘制电路图时，Multisim 所需的电子元器件、仪器仪表等都是以图标的形式出现，选取及使用非常方便，自己还可以建立并扩充元器件。对电路可以设置一定故障，如开路、短路及漏电等，对不同电路的故障状态进行仿真并观察分析，从而加深对电路原理的理解。

利用Multisim 电路仿真软件对电路进行设计，可以实现设计与实验同步进行，在设计电路时修改调试非常方便。仿真软件最大的好处就是在做实验时不消耗实际的电子元器件及电子仪器，实验成本低、效率高、速度快。这样就可以把成功的仿真实验电路直接变成产品使用，大大缩短开发的时间及周期[4-6]。

2 Multisim 在电路实验中的应用

例1：反相输入全波精密整流电路设计与仿真在半波精密整流电路的基础上，增加一个加法器，让输入信号的另一个极性电压不经整流，直接送到加法器，与来自整流电路的输出电压相加，便构成全波精密整流电路[7]，如图1 所示。

当输入电压ui为负半周时，运算放大电路U1输出电压U01＞0，D2导通，D1截止，半波精密整流输出电压u01=0，加法器输出电压为：

当输入电压ui为正半周时，运算放大器U1输出电压U01＜0，D2截止，D1导通，运放U1这时变为半波精密整流电路，其输出电压为：

加法器输出电压为：

若取R1=R2=R6=R7=2R4，测u0=｜ui｜理论上全波整流电路输出电压的平均值U0=0.9UI（UI为输入电压ui的有效期）。接在输出端的电压表的读数为输出电压的平均值，如图2 所示。

例2：占空比可调的方波、锯齿波发生器的电路设计与仿真图3 为占空比可调的方波、锯齿波发生器电路，它由同相输入迟滞比较器电路和充放电时间常数可调的积分电路两部分组成。

该电路与三角波电路相比多了两个二极管和一个可变电阻，通过接入D3、D4两个二极管和可变电阻RP，改变三角波的发生器电路的充电和放电时间常数，就可以调节波形的占空比，以实现T2≠T1（T1为锯齿波下降时间，T2为锯齿波上升时间）。T2时间段的积分时间常数为(R5上+RD1)C1，T1时间段的积分时间常数为(R5下+RD2)C（RD1和RD2为二极管D3和D4导通电阻）。若忽略D3、D4导通电阻，则有：

则周期为：

调节R5只会改变波形的占空比，但其周期不会改变，如图4 所示。

例3：触摸式延时开关设计与仿真生活中经常需要延时控制，如过道灯、楼梯灯等的控制，即实用方便，又节约能源。如图5 所示是多用途延时开关的典型电路，555 定时器和R2、C1、C2组成一个单稳态触发器。通常开关是断开的，单稳态触发器的触发端TRI 接高电平，触发器处于稳定状态，输出端为低电平，三极管也处于截止状态，继电器断开，灯泡不亮。当触摸开关被按下时，TRI 端接地，单稳态触发器翻转进入暂稳态，输出端输出高电平，三级管导通，继电器通电吸合，控制触点闭合使灯泡得电而发光。暂稳态维持的时间由R2和C1决定，即t=1.1R2C1；经过暂稳态触后，单稳态触发器又自动返回稳态，灯泡自动熄灭[8]。

例4：四路抢答器电路设计与仿真如图6 所示为四路抢答器电路图，该电路由4D 触发器74LS20、与非门74LS175 和555 定时器等组成。S1、S2、S3、S4为抢答器按钮，开关为动合型，按下开关时，开关闭合；松开开关时，触电断开。74LS175 是4D 触发器，其内部有四个独立的D 触发器，四个触发器的输入端分别为D1、D2、D3、D4，输出端为CLK 是四个D 触发器的共同的时钟端，CLR 为共同的清除端，当CLR 为0 时，Q1、Q2、Q3、Q4立即为0，抢答器工作时，CLR 置于高电平，555定时器在这里作为多谐振荡器，为D 触发器提供时钟脉冲信号。

工作时若无人抢答，即S1、S2、S3、S4未被按下，D1、D2、D3、D4均为低电平，在555 定时器产生的时钟脉冲作用下，Q1、Q2、Q3、Q4均为低电平，所以发光二极管不亮，与非门74LS20 输出为低电平，蜂鸣器不响。

若有人抢答，假设S1按钮首先被按下，D1变为高电平，在时钟脉冲作用下，Q1立即变为高电平，对应的发光二极管立刻点亮，同时由于Q1=0，74LS20 输出高电平，蜂鸣器发出鸣叫声。74LS20 的输出经74LS00 反相后变为0，将555 定时器的时钟脉冲信号封锁住，造成其他抢答者即使按下按钮，74LS175 因无时钟脉冲信号，输出端电平不会跟随输入端电平发生变化，Q1的高电平状态一直不变，从而保证S1抢答成功。在进行第二次抢答前，则由主持人按下清除按钮，使Q1、Q2、Q3、Q4全部恢复为0，为下一次抢答做好准备。

3 结论

在计算机上用Multisim 搭建虚拟仿真实验平台，可以轻松方便地构建各种电路，并对电路进行仿真与测试，具有投资少、维护简单方便、现象直观、结果精确、图像精彩等特点。这种新的实验教学方式是一种很好的电子技术实验教学的辅助手段，为学生进行设计性、综合性、创新性实验提供了一个良好的平台。在更新实验教学方法、改善实验教学效果、提高电子技术实验教学质量等方面，Multisim 虚拟仿真实验平台的建立对改革电子技术领域起着非常重要的作用。