Multisim仿真软件在电子技术实验教学中的应用及效果分析

2016-10-13潘学文赵全友杨振南

湖南科技学院学报 2016年5期

潘学文　赵全友　杨振南

潘学文赵全友杨振南

（湖南科技学院电子与信息工程学院，湖南永州 425199）

针对电子技术实验教学过程中存在的设备有限、损坏和老化等问题，利用multisim强大的电路仿真分析功能，辅助电子技术实验教学，对模电实验中的单管放大电路进行仿真分析。仿真结果表明，该教学方法实用性强，不仅可方便地修改电路参数，直观地查看仿真结果，而且能降低教学成本，提高实验教学质量，提高学生的电路分析和设计能力。

电子技术；单管放大电路；实验教学；multisim仿真

1　引　言

目前，大部分院校电子技术基础课程《模拟电子技术》和《数字电子技术》的实验教学都是在实验室进行实物实验，实验仪器不足，实验课时少，实验完全依赖仪器，而且电子元器件损耗大、成本高、难度大，实验效果并不理想，很多同学无法完成实验[1-2]。

利用Multisim强大的电路仿真分析功能开展电子技术仿真实验教学，可大大提高实验教学质量[3-4]。在实验教学中，可选取有代表性的实验，先利用Multisim仿真软件进行仿真实验，然后再到实验室完成硬件电路实验，可以节约实验时间，降低实验成本，提高实验效率和实验教学质量。由于仿真实验是计算机辅助电路设计，是一种基于数学建模的纯软件仿真，不需要具体的硬件电路就能完成实验，并且电路搭建、元器件更换及电路参数修改极为方便，电路运行结果可实时观察，是电子技术课程理论联系实际的一条可靠途径，同时也能提高学生的电路分析、设计能力，激发学生的学习热情和创新意识[5-8]。

2　仿真软件介绍

Multisim是美国国家仪器公司（National Instrument，简称NI公司）推出的一款用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。Multisim仿真软件一经推出就得到电子技术教育专家的青睐，在教育领域取得了巨大成功，是当今电子教育领域使用非常广泛的一款专用EDA软件[9]。Multisim仿真软件具有友好的界面、丰富的元器件库、虚拟仪器、操作便捷等优点，能够实现模拟电路、数字电路、高频电路、电力电子、单片机电路等仿真，也能实现PCB电路板和自动布线设计，完全可以满足电子技术教学和科研的需求。因此，越来越多的院校采用Multisim进行电子技术仿真教学[10-11]。

3　仿真分析

下面以模电实验中最基本的实验——单管放大电路实验进行仿真分析，说明Multisim软件在实验过程中的应用及效果分析。

3.1单管放大电路描述

放大器的本质是不失真地放大交流小信号，以实现输入小信号对输出信号的控制作用。要使放大器不失真地放大交流小信号，放大器必须要设置合理的静态工作点，以保证放大管在整个工作区间工作在放大区[13]。

图1.单管交流放大电路

3.2静态工作点分析

3.3动态性能指标分析

1）电压放大倍数

在放大电路调至合适的静态工作点的时候，在输入端加入输入信号（频率1kHz，幅度为5mv的正弦波信号），用电压表测出输入电压和输出电压的值。

可见，电压放大倍数跟集电极电阻和负载有关，集电极电阻增大，放大倍数增大，接入负载后电压放大倍数减小，仿真结果跟理论分析是吻合的。

2）输入电阻和输出电阻

输入电阻是指放大电路输入端的等效电阻，在电压放大电路中，输入电阻越大，输入电流越小，则放大电路从信号源吸取信号幅度的就越大；输出电阻是指放大电路输出端的等效电阻，在电压放大电路中，输出电阻越小，则放大电路带负载能力的越强[13]。

输入电阻：

输出电阻：

式（4）中的是函数发生器的输出信号，是放大电路输入端串入后，输入端的输入信号，的阻值大小一般为1~2 kΩ；式（5）中和分别是负载开路和接上负载时的输出值，其测试电路如图2所示。在图2中通过开关J2控制在输入端是否串入电阻， J3控制是否加入负载。在函数发生器输出正弦波信号频率1kHz，幅度为5mv），用电压表测得=3.536mv，=2.019mv，=0.408v，=0.240v，根据式（3）和式（4）分别计算出输入电阻=1.33 kΩ和输出电阻=2.59 kΩ。

图2.输入、输出电路测试电路

3）频率响应

使用Multisim软件提供的波特图示仪可测出放大电路的频率响应[15]。将波特图示仪连接在电路中，如图2所示。运行仿真，双击波特图示仪，放大电路的频率响应如图3所示。

（a）幅频特性（b）相频特性

图3 放大电路的频率响应

4）最大不失真输出幅度

最大不失真输出幅度是指放大电路在不失真的情况下最大输出电压幅度。在实验中，首先设置放大电路合理的静态工作点，然后逐渐加大输入信号，观察输出信号的波形。如输出波形首先出现削底，则发生了饱和失真，此时应调大p，静态工作点向下移动，减弱饱和失真现象；如输出波形首先出现顶部波形压缩，则发生了截止失真，此时应调小p，静态工作点向上移动，减弱截止失真现象；逐渐加大输入信号和反复调整p，直至饱和失真和截止失真同时发生，此时放大电路的静态工作点位于交流负载线中间，是最佳工作点。然后，适当减小输入信号，同时观察输出信号，当输出信号刚好出现不失真时，测出输出电压即为最大不失真输出幅度。

４　结束语

本文利用Multisim对单管放大电路实验进行了仿真，分析了放大电路的静态工作点和主要动态性能指标。仿真表明：这是一种方便易行、安全有效的方法，能启发学生从验证性实验的传统思维过渡到对电路的分析、故障的排查和电路的设计；降低了实验成本，可解决设备有限、损坏和老化等问题。经过实践教学，在实验教学过程中，先进行仿真实验，帮助同学们熟悉实验过程，观察实验现象，理解实验原理，然后用实际元器件安装调试电路，可提高在实验教学质量和效率。

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