基于Multisim14的模拟电路仿真与研究

朱慧娟，李荣茂，刘洋，庞巧，孙静

摘要：为了给居家办公的学生和用户提供一种更便捷、丰富的实验体验，从Multisim14软件的安装步骤出发，以经典模拟电路的仿真分析为例，详细阐述了Multisim14的使用方法与经典模拟电路的实现原理。重点阐述了基于Multisim14经典模拟电路的构建过程、电路的仿真现象，以及电路的实现机理，深入探讨了Multisim14在模拟电路中的应用。对比实验室环境下的结果表明，Multisim14的仿真结果与实验室的高度一致，实验现象也高度吻合。

关键词：multisim14；模拟电路；仿真分析；三极管；共射基本放大电路

中图分类号：TP311.56   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）33-0084-03

1 引言

在电子电路发展的过程中，经历了三个经典场景[1-3]。第一个场景采用传统的设计方法，电子电路方案的提出、设计等过程都是人类手工完成的；第二个场景是由人类主导、计算机辅助人完成的阶段，此时计算机主要完成数据处理、模拟评价、设计验证等其中一项或多项工作，因此又称为“计算机辅助设计”阶段；随着电子产品从简单到复杂、低集成度到高集成化、微型化、低功耗等方向的发展，我们迎来了第三阶段：电子设计自动化，该阶段中底层设计的大部分工作都是由计算机自动完成的，而Multisim仿真软件作为当前第三阶段重要的系统工具之一，被广泛应用于模拟电路、数字电路以及通信电路中，它不仅为使用者提供了丰富的虚拟电子元件和仪器仪表、省去了大量实际操作的时间，其仿真结果还可作为实验操作的重要参考依据。本文通过经典模拟电路的仿真实现与分析，重点研究了Multisim仿真软件在模拟电路中的使用，探索Multisim对模拟电路仿真的潜在功能与优势。

2 Multisim14的安装与使用

Multisim14仿真软件正式使用之前，首先要安装、激活，其安装方法与Multisim12等之前的版本类似，具有操作简单、易于使用等特点。

安装前的第一步需要解压软件安装包mutm14.1_CN_x32，找到文件NI_Circuit_Design_Suite_14_1.iso。

第二步，双击打开NI_Circuit_Design_Suite_14_1，双击可执行文件autorun.exe开始安装。

第三步，选择Install NI Circuit Design Suite 14.1，点击NEXT，然后选择软件安装路径。

第四步，点击NEXT，取消“Search for…”的勾选，点击NEXT，勾选“许可协议”，点击NEXT，直至安装完毕。

软件安装完毕之后，需要对软件进行激活。

回到上述第三步中“软件安装路径”的位置，双击打开Crack文件夹，双击打开NI License Activator 1.2.exe，对其中的文件分别依次选中后，右击选中Activate，将灰框全部变为绿色，激活完成。

Multisim14安装、激活后，软件操作界面默认使用英语，与此同时还支持中文等多种语言，用户可以根据自身需求来设置。

返回到软件的安装包位置，找到并双击打开language文件夹，找到Chinese-simplified文件夹，将其复制到Multisim14.1安装的盘中找到Circuit Design Suite 14.1，点击stringfiles，把Chinese-simplified复制并粘贴于其中，汉化完成。重启操作系统之后设置的功能即可生效。

为了方便快速打开软件，还可以将创建的Multisim14快捷方式放置于桌面。

3 Multisim14的基本功能与操作

如图1所示打开安装好的Multisim14，可以观察到Multisim14的工作界面由以下几个部分组成，分别是菜单栏、设计工具箱Design Toolbox、电路工作区以及扩展条SpreadSheet View等[4-6]。

菜单栏包括多个项目，File菜单、Edit菜单、View菜单、Place菜单、MCU菜单、Simulate菜单、Transfer菜单、Tools菜单、Reports菜单、Options菜单、Window菜单、Help菜单。

点击View菜单栏的Toolbars选项，可以看到Multisim14提供的多种工具，“Components”对应软件中的元件库，“Instruments”对应仪器仪表，如图2所示。

设计工具箱Design Toolbox界面主要用来显示目前项目中具有哪些电路，借助层级的显示让整个目录看起来层次分明，该工具箱下的Hierarchy、Visibility以及Project View标签的功能分别是分层显示电路、显示一个电路的不同页面、是否显示各个参数。

其中工作电路区是Multisim14工作界面最主要的部分，用来完成电路的搭建、连接、仿真等一系列操作。

接下来通过一个简单的电路来熟悉该软件的使用，例如电阻串联电路的搭建。

首先，摆放好电路所需要的元件，软件截图如图3所示。两个阻值分别为1kΩ、2kΩ的固定电阻，值为5V的直流电源，一个参考接地点。

点击菜单栏Place -Component，Database选择“Master Database”，Group选择“Sources”可以看到目前系统支持的Component元件类型，选择直流电源DC_POWER，點击“OK”后可将直流电源放置在电路工作区，同样的方法选择接地点GROUND；固定电阻可以在Basic的Group下找到。元件摆放好之后，双击元件可以设置该元件的名称和值的大小，选中后右击它可以旋转元件的摆放位置，需要注意的是，不是所有元件都可以设置名称和大小。

第二步，将摆放好的电路连接起来，如图4所示。

将光标停留在元件上，当光标显示成中间为黑色实心圆点的“十字”时，点击并拖拽鼠标左键即可从该元件引出一条导线，依此类推，顺次将电源V1、R1、R2、V1 连接起来，最后将接地点与R2相连。

第三步，确认电路连接无误后，对电路进行仿真分析，如图5所示。

若要观察电阻R2两端的电压，首先需要停止当前的仿真动作，然后从工作界面右侧工具栏选中“<E：＼2022知网文件＼33＼5xs202233＼Image＼image9.png>”图标，或者点击菜单栏“Simulate”-Instruments选中万用表的图标，将万用表拖拽至电路工作区。将万用表与电阻R2并联即可观察到R2两端的电压，具体操作是将万用表的两个输入端分别连接到R2的两侧导线上，如图4所示。

电路仿真开始后，双击万用表可以观察到当前电压表的数值。

最后，将搭建好的电路进行保存。保存的方法与其他软件类似，直接点击菜单栏的“<”保存按钮、点击File菜单栏中的Save或者Save as选项，然后依次设置文件名和文件存放路径。

实现某个电路的仿真，一般需要完成以上电路搭建、仿真分析、保存等步骤。电阻串联电路是模拟电子技术中基本且常见的电路形式，对于经典的信号放大电路如何通过Multisim14实现和分析，可以通过下面的例子来看。

4 经典模拟电路仿真实现与分析

晶体三极管作为放大电路中最核心的元件，在信号放大电路中起着举足轻重的作用，根据其连接形式的不同，放大电路可以分为共射、共集、共基三种情况，通常称之为“组态”[5-7]。

共射放大电路由于其优异的电压和电流放大作用，被广泛应用于各种放大电路中。接下来通过共射基本放大电路的搭建、仿真等实验过程，进一步深化Multisim在模拟电路仿真中的使用，探索Multisim对模拟电路仿真的潜在功能与优势。

如图6所示为共射基本放大电路的电路原理图[8]，此电路测试的目的在于改变电路的静态共工作点，观察静态工作点的选择对电路输出波形的影响。

由晶体三极管的输出特性可知[9]，只有当工作点选择在放大区中间位置的时候，输出电压的波形才不易失真，否则极易产生饱和失真或截止失真。

在观察电路输出波形之前，首先需要保证晶体三极管处于放大工作状态。

如图7所示，电路中不接入交流信号源V1时，调节基极电阻R1使极C、发射极E两端的电压为10V，此时三极管Q1的发射结正偏、集电结反偏，从而保证其工作在放大区。

然后接入交流电源V1和电源内阻RS，分别设置为10mV、1kHz和50Ω，把交流电源V1、负载RL两端的电压分别作为示波器A、B两通道的输入信号，观察此时电路的输入电压和输出电压的波形。

如图6所示，波形显示为绿色的是输入电压，波形显示为红色的是输出电压。观察图6可以发现，当输入电压为10mV、1kHz时，输出电压将其放大了数百倍及以上，且输入电压与输出电压相位相反。

基极电阻RB为三极管提供了合适的基极电流，直流电源VCC、基极电阻RB、集电极电阻RC同时作用于三极管Q1时，为三极管工作在放大区提供了条件。当V1的交流信号作用于三极管时，使得三极管Q1的发射结正偏、集电结反偏，三极管处于放大状态，于是基极电流被放大，再通过集电极电流输出，集电极电阻RC将输出电流的变化转化为电压的变化，最后将负载RL两端的电压作为输出电压。另外由于电容元件具有“阻隔直流、通交流”的作用，因此交流信号可以顺利通过电容C1作用到三极管发射结两端，输出端由于有了C2的作用，输出电压为交流信号，因此直流电流不会混入交流回路，交直流电路相互独立、互不干扰。因此当三极管处于放大工作状态时，通过负载RL观察到的输出电压的波形是对输入电压放大数倍后的结果。

调节滑动电阻R1，使其自身百分之十五的阻值接入到电路中，由于R1阻值的减小，基极电流、集电极电流随之增大。结合三极管输出特性可知，当基极电流不断增大时，三极管极易进入饱和区，静态工作点停留在了饱和区，此时电路输出电压波形会产生饱和失真，从波形上来看输出的电压波形底部被截平，因此也称之为“底部失真”，如图8所示。

实验室环境下共射基本放大电路的操作步骤与上述一致，调节滑动电阻R1使其接入电路中的阻值减小时，电路输出波形同样会产生信号失真，如图9所示，输出正弦波的底部被“削平”，与图8中信号底部失真的波形类似。波形被“削掉”的程度越大说明信号失真的越严重，信号失真的程度与R1接入电路中的阻值有密切的关系，R1越小、信号失真得越严重。

类似地，当滑动电阻R1接入电路中的阻值增大时，基极电流迅速减少，三极管极易进入截止区，静态工作点靠近截止区时，电路的输出电压会产生截止失真，从波形上来看电压波形的顶部被截平，故称之为“顶部失真”。

5 结论

从以上内容不难看出，Multisim14为用户提供了丰富的元件库和仪器仪表库，开发者可以按照自身需求调用，其安装、使用过程都非常简单便捷。同时通过经典模拟电路-共射基本放大电路的仿真与分析这一实验，更加熟悉了Multisim14的使用方法，Multisim14为模拟电路实验提供了便捷可靠的仿真环境，弥补了真实实验环境中因噪声、温度等外界因素对实验现象影响的缺陷，极大程度地体现了实验本身的真实性，进一步提高了实验的可信度。

参考文献：

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[3] 韩鹏.EDA技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2019.

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[5] 聂典，李北雁，聂梦晨，等.Multisim12仿真在電子电路设计中的应用[M].北京：电子工业出版社，2017..

[6] 吕波，王敏.Multisim 14电路设计与仿真[M].北京：机械工业出版社，2016.

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[8] 孙肖子.模拟电子电路及技术基础[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2017.

[9] 张园，于宝明.模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社，2017.

【通联编辑：梁书】