Multisim10在模电教学中的应用

1、Multisim 10 在模电教学中的应用Application of Multisim 10 in Analog Circuit Teaching TANG Xiaojie(Jinjiang College, Sichuan University, Pengshan620860, China)Keywords： Multisim 10; analog circuit; frequencyresponse; feedback收稿日期： 201107120 引言 模拟电子技术作为电子技术的一个分支， 是一门入门性质的 技术基础课 1。由于内容与后续的单片机、传感器、自动控 制原理等专业课都直接关

2、联， 因此各理工类院校所有涉及电类的 专业都将其作为后续专业课的重要基础课。 但由于模电课程本身 所具有的课程特点， 初学者在刚开始接触这门课程时常会感到枯 燥、抽象，难以入手。所以借助于 Multisim 软件的虚拟仿真技 术，不仅使学生在课堂上能通过观看老师对电路的操作演示， 更 加直观地理解各个知识点， 而且还能使每个人在课堂下都能亲自 动手接触电路，包括对元件的选择、参数的设定，以及电路输出 结果的测试分析。 因此很好地解决了理论教学与实际动手相脱节 的老大难问题，使得学生的学习兴趣和学习效率都大为提高。1Multisim 10 软件特点介绍Multisim 10 是一种专门用于电路仿

3、真和设计的EDA软件之 一，是由美国国家仪器（Nl） XX公司推出的以 Windows为基础 的仿真工具。 它不仅具备电路设计功能， 还能对整个电路信号及 系统进行仿真分析，正好符合了 Nl 公司所提出的“把实验室装 进PC机中”“软件就是仪器”的理念。作为 Multisim 9的升级 版本， Multisim 10 主要的特点 23包括：（ 1） 交互式 Spice 仿真。通过提供的几十种虚拟仪器和多 种分析功能，迅速了解电路行为。（2） 通过直观的电路图捕捉环境 , 轻松设计电路。（ 3） 电路限制 （Circuit Restrictions） 功能为教学者提供 了设定隐藏错误的能力，以便

4、教导问题的排除技巧。（ 4） Multisim 10 新增的 Ladder Diagram ，帮助学生认 识控制理论。（5） Nl ELVIS Breadboard View 允许学生在实时的 3D面 包板环境中制作自己的电路，并进行实验。（ 6） 可进行高级电路设计，供进阶设计课程或研究项目使 用。2 仿真实例 反馈放大电路是模电的重点也是难点。另外，在传统的画 图和板书的教学方法下， 模电中放大电路的频率响应这个知识点 也常因为其抽象性而使学生在学习时感到非常吃力， 所以在这里 就以这两个知识点为代表，在 Multisim 仿真环境下通过对一个 两级放大电路的分析来说明该软件对模电教学的重

5、要辅助作用。在 Multisim 软件中建立一个如图 1 所示的两级放大电路， 各元件参数如图1所示。其中，2个晶体管均为B =100, rbb = 300 Q , Cb e=4 pF, Cb c=41 pF。图 1 电压串联负反馈放大电路仿真电路 2.1 将开关 K 断开， 电路中暂不引入级间反馈2.1.1 静态分析静态分析4即分析电路中的静态工作 Q点，在基于电路 电感短路、电容开路的基础上可直接利用 Multisim 中的直流工 作点( DCOperating Point )分析功能 56快速便捷地进行静 态工作点的计算，分析结果如图 2所示。图 2静态工作点分析可见， UBQ1= 1.

6、984 64 V， UEQ1= 1.20979 V， UCQ1=9.235 82 V， UBQ2=2.959 91 V， UEQ2 =2.159 63 V， UCQ2 = 7.723 51 V 。2.1.2 瞬态分析瞬态分析( Transient Analysis) 7是一种非线性时域分析，是在给定输入激励信号时，分析电路输出端的瞬态响应。 启动瞬态分析时， 可直接利用程序分析出的直流参数值作为初始 状态，然后定义出起始时间和终止时间， Multisim 便可以自动 调节合理的时间步进值， 或由用户自行定义时间步长， 最后计算 出输出端在每个时间点的输出电压。当放大电路输入端通过函数信号发生器

7、输入一个幅值为10 mV频率为500 Hz的正弦波信号时，进行瞬态分析，得到输出电压波形， 如图 3 所示。图中输出波形正半周和负半周的幅值 大小不相等， 并且正、 负半周波形的幅值峰值会随着时间的变化 而变化， 即发生了非线性失真。 非线性失真由放大电路中的非线 性元件 ( 如晶体管)所造成。在 Multisim 中用失真度分析仪 ( Distortion Analyzer)测出此时的非线性失真度，即谐波总功率与基波总功率之比，为 0.144%，如图 4 所示。图 3 开环放大电路瞬态分析图 4 开环放大电路非线性失真分 析2.1.3 频率响应特性分析 频率特性可通过在电路中连接波特图示仪(

8、Bode Plotter )8来进行分析，如图 5(a) 、(b) 分别为电路的幅频特性和相 频特性。从图中发现，当电路在低频段和高频段时，电压放大倍 数开始降低， 相角也比中频段时发生了偏移。 从频率响应特性图 中可得中频电压放大倍数|Aum|129.673130。当电压 放大倍数下降至中频电压放大倍数的 0.707 时，下限频率为 fL 65.544 Hz65.5 Hz,上限频率为 fH587.25 kHz587 kHz, 通频带 BW=fH-fL fH=587 kHz。2.2将开关K和上，引入电压串联负反馈2.2.1 负反馈能减小非线性失真,拓展通频带 引入电压串联负反馈后, 同样可利用

9、失真度分析仪分析出此 时电路失真度为 0.040%。可见,引入负反馈后,由于在保持信 号基波成分不变的情况下, 降低了谐波成分, 所以减小了非线性失真 9。图 5 开环放大电路频率响应输出信号的波特图如图6 所示。图中频带电压放大倍数约为 10,下限频率fL10.561 Hz10.5 Hz,上限频率为fH9.998 MHz10 MHz 通频带 BW=fHfLfH=10 MHz.可见，引入负反馈后，电压放大倍数虽 然减小了，但通频带大大增加了。图 6 闭环放大电路频率响应 2.2.2 参数扫描分析 参数扫描分析 10是将电路参数设置在一定范围内变化, 以分析参数变化时对电路性能的影响. 相当于对

10、电路进行多次不 同参数的仿真分析, 可快速检验电路性能. 参数扫描分析可分为 3 种：直流工作点分析、瞬态分析和交流频率分析.这里选用交 流频率分析来分析当电路中的耦合电容C1和旁路电容Ce1大小改变时,对电路频率响应特性的影响,如图7图 9 所示.图7耦合电容C1对下限频率的影响图8旁路电容Ce2对下 限频率的影响图7中3条曲线从左到右依次为 C1取100卩F, 30卩F, 10卩F时对应的放大倍数幅频特性曲线。图中耦合电容C1值越大,则下限频率越小, 频带增宽. 图 8显示当旁路电容越大, 则 下限频率越小，频带增宽。 并且当C1和Ce2取100卩F时，从 中频段到低频段的幅频特性曲线最接近一个矩形, 低频响应特性 最好。图9说明当晶体管极间电容 Cbc值越小，则上限频率越