电路的软件仿真绪论

电路仿真绪论

什么是仿真？

仿真（Simulation），即在特定的平台构建需要研究对象模型，并对构成对象模型的参数进行分析并确定不同参数对研究对象的影响。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。为什么需要仿真技术？

传统的设计方法往往是通过反复的试制样品(物理成型)和实验来分析该系统是否达到设计要求，因此在设计过程中大量的人力和物力投入在样品的试制和试验上。随着计算机仿真技术的发展，在工程系统的设计开发中，大量地采用了数字成型的方法，即通过建立系统的数字模型，通过计算机仿真使得大量的产品设计的问题的发现和解决在物理成型之前就得到处理，从而极大地减少反复物理成型的人力和物力的投入，使我们可以在最短的时间以最低的成本将新产品投放到市场，使得产品在竞争日益激烈的市场上占的先机 EDA是电子设计自动化（ElectronicsDesignAutomation)简称。EDA技术和设计手段是使用硬件描述语言表达设计意图、建立仿真模型，以计算机软件系统作为开发平台的现代电子设计方法。EDA仿真软件是电子电路设计方法的综合，是电子电路设计发展的重要趋势。EDA软件的发展：

随着计算机技术的发展，EDA软件在电子行业中的应用越来越广泛，按照其主要功能和应用场合,EDA主要包括：1.电子电路设计与仿真软件：

主要有PSPICE、Multisim、PROTEUS、SystemView、MATLAB等开发软件2.PCB设计软件：

主要有Protel、PADS等开发软件。3.IC设计软件：Cadence、MentorGraphics等4.PLD设计软件：Altera公司MAX+PLUSII、QuartusII、Xilinx公司的Foundation、ISE等。

一.NIMultisim13系统简介NIMultisim13是美国国家仪器公司（NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分.有增强专业版（PowerProfessional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。NIMultisim13用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NIMultisim13是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NIMultisim13的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。NIMultisim13的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。NIMultisim13具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。NIMultisim13可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字、电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。NIMultisim13易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。Multisim软件开发环境的介绍1.multisim的主窗口点击“开始”→“程序”→“NationalInstruments”→“CircuitDesignSuite13.0”→“multisim”，启动multisim13，可以看到下图所示的multisim的主窗口菜单系统工具栏元件使用列表仪器仪表工具栏电路编辑窗口元件工具栏功能仿真按钮例1：设计一个电灯电路。1、实验目的：（1）掌握如何仿真虚拟器件；（2）了解和掌握Multisim软件的基本使用；2、基本原理：

通过给虚拟灯泡的管脚加电压，通过开关控制灯泡的亮灭，可以直观形象的判断加在灯泡电路的开关和闭合。3、实验电路：4.实验步骤：（1）添加元器件：

首先是电源和地。选择菜单栏中的Place->Compoment后在弹出的对话框中选择下拉菜单中的Sources中的POWER_SOURCES库中的DC_POWER和GROUND，将其放置在电路编辑区域。

选择Basic库的SWIRCH器件组中的DIPSW1，将其放置在电路编辑区域。Step1:进入放置器件弹出菜单选项Step2:进入电源器件组选项Step3:在电源器件组中分别选择DC_POWER和GROUNDStep4:进入基本器件类中调用开关DIPSW1

对元器件位置进行放置时的操作，在此处以一个电阻的放置进行举例。在实验过程中务必通过必要的元器件设置，使电路图的布局美观整洁。快捷键Ctrl+R方式1：方式2：选择需要改变方向的器件，点击菜单栏中的Edit，在下拉菜单中选择Orientation后弹出对话框中选择Rotate90clockwise（2）连线

连线有两种方式，在这里推荐同学采用比较简单的方式。方式1：

具体方法是将鼠标位于器件器件的端子，鼠标会自动变成十字光标，此时点击鼠标左键会引出一根导线将其连接到对应的器件端子上。方式2：（3）仿真运行

点击工具栏中的按钮，此时电路仿真开始。5、仿真结果的观察：（1）、注意开关器件S1的标注为Key=B，表示可以通过按键B来控制开关的闭合和断开。（2）、可以双击电路的元器件来改变电路的参数设置。例如，如果需要改变直流电压源的大小，双击V1，弹出对话框DC_POWER。在此处改变直流电压源的值在此处分别添加5v、12v、18v和20v的电压，观察虚拟灯泡的响应。二、虚拟仪器的使用

在第一部分的介绍中提到了Multisim软件提供了大量贵重的虚拟设备。由于这些特殊设备价格昂贵，而且在实际的本科教学中也没有使用这些仪器的必要。但在研究生和电子类同学以后的工作中，这些仪器是观察不同现象的重要工具。在本部分将对常用几个仪器做简要的介绍。2.1示波器 Multisim提供了四个示波器，分别是双路示波器、四通道示波器、安捷伦54622D-100M示波器和泰克TDS2024示波器。

使用过程中，首先在工具栏中调用虚拟仪器，运行过程中通过双击可以看到虚拟仪器的工作面板。

下面，以双路示波器和安捷伦54622D-100M示波器来举例。例2：设计一个虚拟示波器电路。1、实验目的：（1）掌握如何仿真虚拟仪器；（2）了解和掌握Multisim软件的基本使用；2、基本原理：

通过调用信号源，分别使用双路示波器和安捷伦54622D-100M，观察信号源的响应。3.实验步骤：（1）添加信号源：

首先是电源和地。选择菜单栏中的Place->Compoment后在弹出的对话框中选择选择下拉菜单中的POWER_SOURCES库中的GROUND，在SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES中的AC_VOLTAGE将其放置在电路编辑区域。

选择虚拟仪器工具栏中分别选择双路示波器和安捷伦54622D-100M，将其放置在电路编辑区域。（2）设置信号源V1参数。

双击V1信号源，弹出属性窗口，如下所示：在这里将Voltage（峰峰值）改为500mv，Frequency（频率值）改为2KHz，其余参数保持不变。（3）连线过程（省略）实验电路图：（4）点击运行按钮进行仿真，并在开始运行后分别点击双路示波器和安捷伦示波器，观察输出波形。双路示波器波形：安捷伦示波器波形2.2函数发生器 Multisim提供了两个个示波器，分别是Multisim自带的函数发生器和安捷伦33120A函数发生器。

同样在，使用过程中，首先在工具栏中调用虚拟仪器，运行过程中通过双击可以看到虚拟仪器的工作面板。

下面，以自带的函数发生器和安捷伦33120A函数发生器与安捷伦54622D-100M示波器构成测试系统来举例。例2：设计一个虚拟函数发生器电路。1、实验目的：（1）掌握如何使用虚拟函数发生器仪器；（2）了解和掌握Multisim软件的基本使用；2、基本原理：

调用函数发生器、安捷伦33120A函数发生器和安捷伦54622D-100M，观察信号源的响应。3.实验步骤：（1）添加信号源：

首先是电源和地。选择菜单栏中的Place->Compoment后在弹出的对话框中选择下拉菜单中的POWER_SOURCES库中的GROUND。

选择虚拟仪器工具栏中分别选择函数发生器、安捷伦33120A函数发生器和安捷伦54622D-100M，将其放置在电路编辑区域。（3）连线过程（省略）实验电路图：（4）点击运行按钮进行仿真，并在开始运行后点击自带函数发生器和安捷伦示波器，观察输出波形。

示波器1路连接自带函数发生器其产生波形请看演示。

安捷伦波形发生器连接示波器第二路，其除了能产生1路的正弦波、三角波和方波信号外还能产生AM、FM等波形观察输出波形。举例说明AM波的产生：使用信号为100Hz的信号与载波为10k的信号产生AM条幅波。安捷伦示AM波形2.3频谱分析仪的使用 Multisim提供了频谱分析仪用来分析信号中的频谱。

同样，使用过程中，首先在工具栏中调用虚拟仪器，运行过程中通过双击可以看到虚拟仪器的工作面板。

下面，以频谱分析仪和安捷伦33120A函数发生器构成的频谱测试系统来举例。例2：设计一个虚拟频谱分析仪电路。1、实验目的：（1）掌握如何使用虚拟函数发生器仪器和频谱分析仪；（2）了解和掌握Multisim软件的基本使用；2、基本原理：

调用频谱分析仪、安捷伦33120A函数发生器，观察信号源的频谱响应。3.实验步骤：（1）添加信号源：

选择虚拟仪器工具栏中分别选择函数发生器、安捷伦33120A函数发生器和频谱分析仪

，将其放置在电路编辑区域。（3）连线过程（省略）实验电路图：（4）点击运行按钮进行仿真，并在开始运行后点击自带函数发生器和频谱分析仪，观察输出波形。函数发生器的设置：

频谱分析仪的结果如下：三、Multisim在电路仿真中的应用 Multisim在电路分析中应用主要有：1、基本原理的验证，如基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律等2、简单电路的设计，如加法器电路设计、积分电路设计等；3、系统电路的仿真设计，如万用表系统设计。3.1基本定律的验证1.基尔霍夫电流定律（KCL）流入任一节点的电流之和必定等于流出该节点的电流之和。

KCL是电荷守恒法则的反映，或者说是电流连续性原理的反映。

例如：对图中节点a而言

i1

+

i2=i3

或改写为

i1

+

i2

-

i3=0即：若流入节点的电流前面取正号，流出节点的电流前面取负号，则该节点上电流的代数和就等于零。

显然，上述结论适用于任何电路的任何节点，而且对任意波形的电流来说，这一结论在任一瞬间也是适用的。–i1++–uS1u1R1i3R3i2++uS2R2––u2cabd验证基尔霍夫电流定律：构建如下图所示电路：

根据数字电流表的值可以计算出a节点的输入电流等于输出电流之和。验证基尔霍夫电流定律1、实验目的：（1）验证基尔霍夫电流定律；（2）了解和掌握Multisim软件的基本使用；2、基本原理：

通过设计给出的实际电路，使用万用表测量各个支路电流，观察其值是否满足基尔霍夫电流定律。3.实验步骤：（1）添加信号源：

首先是电源和地。选择菜单栏中的Place->Compoment后在弹出的对话框中的Group下拉菜单中选择Sources，选择POWER_SOURCES库中的GROUND，在SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES中的DC_VOLTAGE将其放置在电路编辑区域。

在Group下拉菜单中选择Indicators，在VOLTMETER中选择AMMETER_V。

在Group下拉菜单中选择Basic，在RESISTOR中选择电阻（注意，此处的电阻阻值可以先不用考虑）

（2）设置信号源V1和V2参数。

双击信号源，弹出属性窗口，如下所示，将Voltage的值进行相应修改设置电阻R1、R2和R3参数。

双击电阻，弹出属性窗口，如下所示，将Resistanc的值进行相应修改（3）将数字电流表串联到对应的电路中，注意电流表的流向实验结果：三个电流表的数字之和等于0。2.基尔霍夫电压定律

（Kirchhoff’sVoltageLaw，简称KVL）

沿回路环行一周，则在此回路上的电位降之和必定等于电位升之和。

KVL是能量守恒法则的反映，或者说是电位单值性原理的反映。

例如：对图中回路adbca而言

uS2

+

u1=u2

+

uS1

或改写为

uS2

-

u2

+

u1

-

uS1=0即：与回路环行方向一致的电压前面取正号，与回路环行方向相反的电压前面取负号，则该回路中电压的代数和等于零。–++–uS1u1R1R3++uS2R2––u2cabd验证基尔霍夫电压定律：构建如下图所示电路：

根据数字电压表的值可以计算出回路电压之和为0.验证基尔霍夫电压定律1、实验目的：（1）验证基尔霍夫电压定律；（2）了解和掌握Multisim软件的基本使用；2、基本原理：

通过设计给出的实际电路，使用万用表测量各个支路电流，观察其值是否满足基尔霍夫电流定律。3.实验步骤：（1）添加信号源：首先是电源和地。选择菜单栏中的Place->Compoment后在弹出的对话框中的Group下拉菜单中选择Sources，选择POWER_SOURCES库中的GROUND，在SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES中的DC_VOLTAGE将其放置在电路编辑区域。

在Group下拉菜单中选择Indicators，在VOLTMETER中选择VOLTMETER_VR。

在Group下拉菜单中选择Basic，在RESISTOR中选择电阻（注意，此处的电阻阻值可以先不用考虑）

（2）设置信号源V1和V2参数。

双击信号源，弹出属性窗口，如下所示，将Voltage的值进行相应修改设置电阻R1、R2和R3参数。

双击电阻，弹出属性窗口，如下所示，将Resistanc的值进行相应修改（3）将数字电压表表串联到对应的电路中，注意电压表的正负极。实验结果：两个回路参考方向电压之和分别等于0。三、Multisim分析设置1.AC分析在一阶电路中的应用：一阶电路的等效：一阶电路通常个动态元件（储能元件）以及若干电阻元件组成，由于从动态元件两端看进去若干电阻可以用一个等效电阻来表征，因此为研究方便，我们取简单的RC一阶电路形式作为本次实验的研究对象。AC分析主要应用于电路对于不通频率的信号源的响应。1、构建电路模型操作小提示：在此处需要测量R1和C1连接处的节点电压，可以通过以下操作将节点信息显示出来在电路编辑空白区域点击鼠标右键，弹出对话窗口，在Netnames中选择showall点击网络名称2连线的连线，将网络名称更改为out，点击应用。out0按钮。AC分析的设置：AC分析参数设置：参数类型默认值注释Startfrequency（起始频率）1交流分析的起始频率。对应于仿真结果的横坐标的起始位置。Stopfrequency（结束频率）10GHz交流分析的终止频率。对应于横坐标的结束位置。Sweeptype（扫描模式）Decade（10倍频程扫描）交流分析曲线的频率（横坐标）变化方式，可选的方式有：Decade（10倍频程扫描）、Octave（倍频程扫描）、Linear（线性刻度扫描）Numberofpoints（扫描点数）10单位刻度扫描的点数Verticalscale（垂直刻度）Logarithmic（对数）扫描时的垂直刻度，可选项有Linear（线性刻度）、Logarithmic（对数刻度）、Decibel（分贝刻度）、Octave（倍程刻度）AC分析参数的意义：在通常设置中，起始频率设置为1，结束频率设置为一个比较大的频率，扫描模式选择为10倍频程扫描，扫描点数根据实际需要，该点数较大时仿真结果图比较细腻，但计算耗时。垂直刻度选择为线性刻度输出节点的添加：在本例中需要观察几点out的电压值。Step1Step2Step3仿真结果：幅度响应：相位响应：数据记录：1、图形的保存：2、数据的保存：仿真结果的分析：通过调用光标来显示具体坐标位置的值，Multisim提供了两个光标，选择Show

cursor后会弹出光标坐标用于显示对应光标的值。

在这里我们也可以用光标的操作，譬如通过设定x坐标找到对应的y坐标的值，或者找到有坐标的最大值。2、transient分析在二阶电路中的应用：

瞬态分析是一种非线性时域分析方法，其考察电路在给定输入激励信号，分析电路输出端的瞬态响应。

在进行瞬态分析时，首先计算电路的初始状态，然后从初始时刻起到某个给定的时间范围内，输出节点的响应。构建二阶电路:(过程省略)和前面的不一致的地方，需要对电容设置一个初始电压，选择电容，双击左键，在初始电压位置输入5，并勾选