《電子線路基礎》課件第10章

第10章電子電路仿真軟件Multisim10.1

Multisim仿真軟件概述10.2

Multisim軟件的基本功能10.3

Multisim的基本分析方法10.4

Multisim在電子線路基礎中的應用 10.1

Multisim仿真軟件概述電子設計自動化（EDA）技術，使得電子線路的設計人員能在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析、時序測試直至印制電路板的自動生成，其中包括印制板的溫度分布和電磁兼容性測試，代表著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的技術潮流。

20世紀80年代加拿大圖像交互技術公司（InteractiveImageTechnologic簡稱IIT公司）推出的頗具特色的電子仿真軟件EWB5.0，曾經風靡世界。它以其界面形象直觀、操作方便、分析功能強大、易學易用等突出優(yōu)點，早在20世紀90年代就在我國得到迅速推廣，受到電子行業(yè)技術人員的青睞?？缛?1世紀后，加拿大IIT公司在保留原版本優(yōu)點的基礎上，增加了更多功能和內容，改進了EWB5.0軟件虛擬儀器調用有數量限制的缺陷，推出EWB6.0版本，并取名Multisim（意為多重仿真），也就是Multisim2001版本。2003年Multisim2001升級為Multisim7.0版本。電子仿真軟件Multisim7.0功能相當強大，能勝任各種電子電路的分析和仿真實驗。它有十分豐富的電子元器件庫，可供用戶調用組建仿真電路進行實驗；它提供18種基本分析方法，可供用戶對電子電路進行各種性能分析；它還有多達17臺虛擬儀器儀表和一個實時測量探針，可以滿足一般電子電路的測試和實驗。

但它有一個缺點，就是將電阻的單位Ω用“Ohm”三個字母表示，使用起來不方便。除了這一點之外，電子仿真軟件Multisim7.0已經相當成熟和穩(wěn)定，是加拿大IIT公司在開拓電子仿真軟件領域中的一個里程碑。以后加拿大IIT公司又相繼推出Multisim8.0等版本，并將電阻的單位“Ohm”三個字母改為用Ω表示。Multisim8.0版本除了增加了一些元件庫品種、一臺“泰克”示波器和其他一些功能之外，給人的印象與Multisim7.0相比并沒有太大的區(qū)別。也可以說Multisim8.0版本是加拿大IIT公司推出的電子仿真軟件的終極版。2005年以后，加拿大IIT公司已經隸屬于美國國家儀器公司（NationalInstrument，簡稱NI公司），美國NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。美國NI公司推出的Multisim9.0版本與以前加拿大IIT公司推出的Multisim7.0版本有著本質上的區(qū)別。雖然它的界面、元件調用方式、搭建電路、虛擬仿真、電路基本分析方法等沿襲了EWB的優(yōu)良傳統(tǒng)，但軟件的內容和功能已大不相同。比如它的元件工具條中增加了單片機和外圍設備。另外，在Multisim9.0中增加了4臺Labview采樣儀器，它們分別是：麥克風、播放器、信號發(fā)生器和信號分析儀。2007年初，美國NI公司又推出最新的NIMultisim10版本，在安裝NIMultisim10軟件的同時，也同時安裝了與之配套的制版軟件NIUltiboard10，并且兩個軟件位于同一路徑下面，給用戶使用提供了極大的方便。可見，現(xiàn)在美國NI公司推出的NIMultisim10軟件，不再是以前的EWB了?？梢赃@樣認為，EWB的主要功能在于一般電子電路的虛擬仿真；而NIMultisim10軟件則不僅僅局限于電子電路的虛擬仿真，其在Labview虛擬儀器、單片機仿真等技術方面都有更多的創(chuàng)新和提高，屬于EDA技術的更高層次范疇。作為Windows下運行的個人桌面電子設計工具，Multisim是一個完整的集成化設計環(huán)境。它具有如下特點：（1）Multisim具有直觀的圖形界面。整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標后可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。（2）Multisim具有一個龐大的元器件庫。具備如信號源、基本元器件、模擬集成電路、數字集成電路、指示部件、控制部件等各種元器件。（3）Multisim具有強大的仿真能力。既可對模擬電路或數字電路分別進行仿真，也可進行數模混合仿真，尤其是新增了射頻（RF）電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息，提示可能出錯的原因，仿真結果可隨時儲存和打印。（4）強大的分析功能。提供了14種仿真分析方法，如直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、參數掃描分析、零極點分析、傳遞函數分析、溫度掃描分析、后處理分析等。（5）強大的虛擬儀器功能。如示波器、萬用表、瓦特計、掃描儀、失真儀、網絡分析儀、邏輯轉換儀、字信號發(fā)生器等。（6）VHDL/Verilog設計輸入和仿真。Multisim軟件將VHDL/Verilog的設計和仿真包含進去，使得大規(guī)模可編程邏輯器件的設計和仿真與模擬電路、數字電路的設計和仿真融為一體，突破了原來大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷o法與普通電路融為一體仿真的瓶頸。（7）可以與電路板設計軟件無縫連接。Multisim軟件的設計結果可以方便地導出到電路板設計軟件中來進行電路板布線。（8）遠程控制功能。Multisim軟件支持遠程控制功能，不僅可以將Multisim軟件的界面共享給其他人，使得其他人在自己的計算機上能看到控制者的操作情況，而且可以將控制權交給其他人，讓其操作該軟件，這樣可以實現(xiàn)交互式教學。10.2

Multisim軟件的基本功能10.2.1

Multisim基本操作

1.基本界面

Multisim基本界面如圖10－1所示，有工具欄、元器件欄、菜單欄、儀器儀表欄、電路工作區(qū)、狀態(tài)欄和仿真電源開關等。Multisim常用的文件操作有：New——新建文件、Open——打開文件、Save——保存文件、SaveAs——另存文件、Print——打印文件、PrintSetup——打印設置和Exit——退出等相關的文件操作。以上這些操作可以在菜單欄File子菜單下選擇命令，也可以應用快捷鍵或工具欄的圖標進行快捷操作。圖10－1

Multisim基本界面

2.子電路創(chuàng)建子電路是用戶自己建立的一種單元電路。將子電路存放在用戶器件庫中，便可以反復調用并使用。利用子電路可以簡化復雜系統(tǒng)的設計，還可增加設計電路的可讀性、提高設計效率、縮短電路周期。創(chuàng)建子電路的工作需要以下幾個步驟：選擇、創(chuàng)建、調用、修改。子電路選擇：把需要創(chuàng)建的電路放到電子工作平臺的電路窗口上，按住鼠標左鍵，拖動，選定電路。被選擇電路的部分由周圍的方框標示，便完成子電路的選擇。子電路創(chuàng)建：單擊Place/ReplacebySubcircuit命令，在屏幕出現(xiàn)SubcircuitName的對話框中輸入子電路名稱sub1，單點OK按鈕，選擇電路并復制到用戶器件庫，同時給出子電路圖標，便完成子電路的創(chuàng)建。子電路調用：單擊Place/Subcircuit命令或使用Ctrl+B快捷鍵操作，輸入已創(chuàng)建的子電路名稱sub1，即可使用該子電路。子電路修改：雙擊子電路模塊，在出現(xiàn)的對話框中單擊EditSubcircuit命令，屏幕顯示子電路的電路圖，直接修改該電路圖。子電路的輸入/輸出：為了能對子電路進行外部連接，需要對子電路添加輸入/輸出。單擊Place/HB/SBConnecter命令或使用Ctrl+I快捷鍵操作，屏幕上出現(xiàn)輸入/輸出符號，將其與子電路的輸入/輸出信號端進行連接。帶有輸入/輸出符號的子電路才能與外電路連接。10.2.2電路的創(chuàng)建（1）選擇元器件庫。在元器件欄中單擊要選擇的元器件庫圖標，打開該元器件庫。在屏幕出現(xiàn)的元器件庫對話框中選擇所需的元器件，常用元器件庫有13個：信號源庫、基本元件庫、二極管庫、晶體管庫、模擬器件庫、TTL數字集成電路庫、CMOS數字集成電路庫、其他數字器件庫、混合器件庫、指示器件庫、其他器件庫、射頻器件庫、機電器件庫等。（2）選擇元器件。鼠標點擊元器件，可選中該元器件。（3）元器件操作。選中元器件，單擊鼠標右鍵，在菜單中出現(xiàn)下列操作命令：（4）設置元器件特性參數。雙擊該元器件，在彈出的元器件特性對話框中，可以設置或編輯元器件的各種特性參數。元器件不同，每個選項下將對應不同的參數。例如：NPN型三極管的選項為：

Label——標識Display——顯示Value——數值Pins——管腳（5）電路圖。選擇菜單Options欄下的SheetProperties命令，出現(xiàn)如圖10－2所示的對話框，每個選項下又有各自不同的對話內容，用于設置與電路顯示方式相關的選項。圖10－2電路圖選項10.2.3虛擬儀器的使用

1.數字萬用表

Multisim提供的萬用表外觀和操作與實際的萬用表相似，可以測電流值（A）、電壓值（V）、電阻值（Ω）和分貝值（dB），可測直流或交流信號。萬用表有正極和負極兩個引線端，如圖10－3所示。圖10－3數字萬用表

2.函數發(fā)生器

Multisim提供的函數發(fā)生器可以產生正弦波、三角波和矩形波，信號頻率可在1Hz~999MHz范圍內調整。信號的幅值以及占空比等參數也可以根據需要進行調節(jié)。信號發(fā)生器有三個引線端口：負極、正極和公共端，如圖10－4所示。圖10－4函數發(fā)生器

3.瓦特表

Multisim提供的瓦特表用來測量電路的交流或者直流功率，瓦特表有四個引線端口：電壓正極和負極、電流正極和負極，如圖10－5所示。圖10－5瓦特表

4.雙通道示波器

Multisim提供的雙通道示波器的外觀和基本操作與實際的示波器基本相同，該示波器可以觀察一路或兩路信號波形的形狀，分析被測周期信號的幅值和頻率，時間基準可在秒至納秒范圍內調節(jié)。示波器圖標有四個連接點：A通道輸入、B通道輸入、外觸發(fā)端T和接地端G，如圖10－6所示。圖10－6雙通道示波器示波器的控制面板分為四個部分：

1）Timebase（時間基準）

Scale（量程）：設置顯示波形時的X軸時間基準。

Xposition（X軸位置）：設置X軸的起始位置。顯示方式設置有四種：Y/T方式指的是X軸顯示時間，Y軸顯示電壓值；Add方式指的是X軸顯示時間，Y軸顯示A通道和B通道電壓之和；A/B或B/A方式指的是X軸和Y軸都顯示電壓值。

2）ChannelA（通道A）

Scale（量程）：通道A的Y軸電壓刻度設置。

Yposition（Y軸位置）：設置Y軸的起始點位置，起始點為0表明Y軸和X軸重合，起始點為正值表明Y軸原點位置向上移，否則向下移。觸發(fā)耦合方式：AC（交流耦合）、0（0耦合）或DC（直流耦合），交流耦合只顯示交流分量，直流耦合顯示直流和交流之和，0耦合則在Y軸設置的原點處顯示一條直線。

3）ChannelB（通道B）通道B的Y軸量程、起始點、耦合方式等內容的設置與通道A相同。

4）Tigger（觸發(fā)）觸發(fā)方式主要用來設置X軸的觸發(fā)信號、觸發(fā)電平及邊沿等。Edge（邊沿）：設置被測信號開始的邊沿，設置先顯示上升沿或下降沿。Level（電平）：設置觸發(fā)信號的電平，使觸發(fā)信號在某一電平時啟動掃描。觸發(fā)信號選擇：Auto（自動）為通道A和通道B表明用相應的通道信號作為觸發(fā)信號；ext為外觸發(fā)；Sing為單脈沖觸發(fā)；Nor為一般脈沖觸發(fā)。

5.波特圖儀利用波特圖儀可以方便地測量和顯示電路的頻率響應，波特圖儀適合于分析濾波電路或電路的頻率特性，特別易于觀察截止頻率。需要連接兩路信號，一路是電路輸入信號，另一路是電路輸出信號，需要在電路的輸入端接交流信號。波特圖儀控制面板分為Magnitude（幅值）或Phase（相位）的選擇、Horizontal（橫軸）設置、Vertical（縱軸）設置、顯示方式的其他控制信號，面板中的F指的是終值，I指的是初值。在波特圖儀的面板上，可以直接設置橫軸和縱軸的坐標及其參數。例如，構造一階RC濾波電路，如圖10－7所示，輸入端加入正弦波信號源，電路輸出端與示波器相連，目的是為了觀察不同頻率的輸入信號經過RC濾波電路后輸出信號的變化情況。圖10－7

RC濾波電路

圖10－7~圖10－42中的元器件符號是Multisim軟件中的符號，同國標有所不一致，在此特別說明。調整縱軸幅值測試范圍的初值I和終值F，并調整相頻特性縱軸相位范圍的初值I和終值F，如圖10－8所示。圖10－8調整波特圖儀的幅值測試范圍和相頻范圍圖10－9相頻特性曲線

6.IV分析儀

IV分析儀專門用來分析晶體管的伏安特性曲線，如二極管、NPN管、PNP管、NMOS管、PMOS管等器件。IV分析儀相當于實驗室的晶體管圖示儀，需要將晶體管與連接電路完全斷開，才能進行IV分析儀的連接和測試。IV分析儀有三個連接點，可實現(xiàn)與晶體管的連接。IV分析儀面板左側是伏安特性曲線顯示窗口；右側是功能選擇，如圖10－10所示。圖10－10

IV分析儀 10.3

Multisim的基本分析方法

Multisim提供了14種仿真分析方法，如直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、參數掃描分析、零極點分析、傳遞函數分析、溫度掃描分析、后處理分析等。在這里通過具體的電路分析介紹其中幾種基本的分析方法。10.3.1直流工作點分析直流工作點分析也稱靜態(tài)工作點分析。電路的直流分析是在電路中電容開路、電感短路時，計算電路的直流工作點，即在恒定激勵條件下求電路的穩(wěn)態(tài)值。在電路工作時，無論是大信號還是小信號，都必須給半導體器件以正確的偏置，以便使其工作在所需的區(qū)域，這就是直流分析要解決的問題。了解電路的直流工作點后，才能進一步分析電路在交流信號作用下電路能否正常工作。求解電路的直流工作點在電路分析過程中是至關重要的。為了分析電路的交流信號是否能正常放大，必須了解電路的直流工作點設置得是否合理，所以首先應對電路的直流工作點進行分析。這里在Multisim工作區(qū)構造一個單管放大電路，電路中電源電壓、各電阻和電容的取值如圖10－11所示。圖10－11單管放大電路圖10－12直流工作點分析對話框

1.Output選項

Output選項用于選定需要分析的節(jié)點。圖10－12B圖左邊Variablesincircuit欄內列出電路中各節(jié)點電壓變量和流過電源的電流變量。其右邊Selectedvariablesfor欄用于存放需要分析的節(jié)點。具體做法是：先在左邊Variablesincircuit欄內選中需要分析的變量（可以通過鼠標拖拉進行全選），再單擊Add按鈕，相應變量則會出現(xiàn)在Selectedvariablesfor欄中。如果Selectedvariablesfor欄中的某個變量不需要分析，則先選中它，然后單擊Remove按鈕，該變量將會回到左邊的Variablesincircuit欄中。

2.AnalysisOptions和Summary選項用戶通過檢查可以確認這些參數的設置。單擊圖10－12B下部的Simulate按鈕，測試結果如圖10－13所示。測試結果給出電路中各個節(jié)點的電壓值。根據這些電壓的大小，可以確定該電路的靜態(tài)工作點是否合理。如果不合理，可以改變電路中的某個參數，利用這種方法，可以觀察電路中某個元件參數的改變對電路直流工作點的影響。圖10－13直流工作點的仿真結果10.3.2交流分析交流分析是在正弦小信號工作條件下的一種頻域分析。它計算電路的幅頻特性和相頻特性，是一種線性分析方法。Multisim在進行交流頻率分析時，首先分析電路的直流工作點，并在直流工作點處對各個非線性元件進行線性化處理，得到線性化的交流小信號等效電路，并用交流小信號等效電路計算電路輸出交流信號的變化。在進行交流分析時，電路工作區(qū)中自行設置的輸入信號將被忽略。也就是說，無論給電路的信號源設置的是三角波還是矩形波，進行交流分析時，都將自動設置為正弦波信號，以分析電路隨正弦信號頻率變化的頻率響應曲線。這里仍采用單管放大電路作為實驗電路，電路如圖10－11所示。這時，該電路直流工作點分析的結果如下：三極管的基極電壓約為0.653V，集電極電壓約為5.46V，發(fā)射極電壓為0V。執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇ACAnalysis，則出現(xiàn)交流分析對話框，如圖10－14所示。圖10－14交流分析對話框電路的交流分析測試曲線如圖10－15所示，該測試結果給出了電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，幅頻特性曲線則顯示了3號節(jié)點（電路輸出端）的電壓隨頻率變化的曲線；相頻特性曲線則顯示了3號節(jié)點的相位隨頻率變化的曲線。由交流頻率分析曲線可知，該電路大約在頻率7Hz～24MHz范圍內放大信號，放大倍數基本穩(wěn)定，且相位基本穩(wěn)定。超出此范圍時，輸出電壓將會衰減，相位會改變。圖10－15交流分析測試曲線10.3.3瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析是一種非線性時域分析方法，是在給定輸入激勵信號時，分析電路輸出端的瞬態(tài)響應。Multisim在進行瞬態(tài)分析時，首先計算電路的初始狀態(tài)，然后從初始時刻起，到某個給定的時間范圍內，選擇合理的時間步長，計算輸出端在每個時間點的輸出電壓，輸出電壓由一個完整周期中的各個時間點的電壓來決定。啟動瞬態(tài)分析時，只要定義起始時間和終止時間，Multisim就可以自動調節(jié)合理的時間步進值，以兼顧分析精度和計算時需要的時間，也可以自行定義時間步長，以滿足一些特殊要求。構造一個單管放大電路，電路中電源電壓、各電阻和電容的取值如圖10－16所示。圖10－16單管放大電路圖10－17瞬態(tài)分析對話框可以對瞬態(tài)分析對話框中的初始條件和參數進行設置。放大電路的瞬態(tài)分析曲線如圖10－18所示。分析曲線給出輸入節(jié)點2和輸出節(jié)點5的電壓隨時間變化的波形，縱軸坐標是電壓，橫軸是時間軸。從圖中可以看出輸出波形和輸入波形的幅值相差不太大，這主要是因為該放大電路的晶體管發(fā)射極接有反饋電阻，從而影響了電路的放大倍數。圖10－18瞬態(tài)分析曲線

10.4

Multisim在電子線路基礎中的應用10.4.1靜態(tài)工作點設置對電路性能的影響三極管電路的靜態(tài)工作點的設置對電路的性能會產生大的影響，包括放大倍數，失真和最大不失真輸出電壓等。以共發(fā)射極電路為例，用Multisim仿真來研究靜態(tài)工作點對這些性能產生什么樣的影響。電路組成如圖10－19所示。圖10－19單管共射電路根據上面的電路，我們估算出靜態(tài)工作點：1.靜態(tài)工作點對失真的影響當輸入幅度為10mv的1kHz的正弦波時，通過改變Rw的大小改變靜態(tài)工作點，觀察輸出波形，研究靜態(tài)工作點的設置對輸出波形失真的影響。圖10-20分別給出了Rw為3％，7％和88％時的輸出波形。Rw為3％時的輸出波形為上大下小，波形產生了飽和失真；Rw為7％時的輸出波形正常；

Rw為88％時的輸出波形為上小下大，波形產生了截止失真。圖10-20輸出波形

2.對放大倍數的影響因為放大倍數和動態(tài)電阻rbe有關，我們計算放大倍數必須先計算rbe的值：通過上述的公式我們發(fā)現(xiàn)，通過改變RW的大小改變靜態(tài)工作點，也可以改變電壓放大倍數，圖10-21給出了RW為32%時的輸出波形和RW為10%時的輸出波形，計算出電壓放大倍數，當RW為32%時；當RW為10%時。圖10－21輸出波形

3.對最大不失真輸出電壓的影響最大不失真電壓和靜態(tài)工作點有關，當改變靜態(tài)工作點時也就改變了最大不失真電壓。最大不失真電壓為圖10－22給出了RW為32%時的輸出波形、RW為20%時的輸出波形以及RW為40%時的輸出波形，分析最大不失真電壓，當RW為32%時UOM=1.5div；當RW為20%時UOM=2.5div；當RW為40%時UOM=0.7div。當RW增大時，最大輸出電壓減??；當RW減小時，最大輸出電壓增大。圖10－22輸出波形10.4.2負反饋對放大電路性能的改善負反饋放大電路可以改善電路的許多性能，如穩(wěn)定電壓放大倍數，減小非線性失真，展寬通頻帶，改變輸入電阻和輸出電阻，如圖10－23給出了引入交流負反饋的電路。電容C1接上時沒有引入交流反饋，斷開時引入了交流反饋。圖10－23負反饋的電路

1．減小非線性失真通過對比接入反饋和沒有反饋的輸出波形，如圖10－24所示，我們可以發(fā)現(xiàn)，無交流負反饋時的輸出波形產生了失真，有交流負反饋時的輸出波形沒有失真。引入交流負反饋后電路的非線性失真減小，放大倍數降低。圖10－24輸出波形

2．展寬通頻帶通過對比接入反饋和沒有反饋的波特圖的幅頻特性，如圖10－25所示，我們可以發(fā)現(xiàn)，無交流負反饋時的通頻帶窄，有交流負反饋時的通頻帶寬。引入交流負反饋后電路的通頻帶展寬。圖10－25波特圖

3．改變輸入電阻和輸出電阻引入交流負反饋會改變輸入電阻和輸出電阻，不同組態(tài)對輸入電阻和輸出電阻會產生不同的影響。下面以電壓串聯(lián)負反饋電路為例進行仿真，電路圖如圖10－26所示。（1）計算輸入電阻。我們在輸入端加入電壓表和電流表測得電壓和電流值來計算電路的輸入電阻。圖10－27是引入交流負反饋時的電路，圖10－28是沒有交流負