毕业设计（论文）-基于EWB的交、直流电路仿真

第1-页共34页第一章绪论ElectronicsWorkbench（简称EWB）是加拿大InteractiveImageTechnologiesLed公司于1988年推出的电路分析和设计软件，又称Multisim，它基于SPICE工业标准，以SPICE3F5为模拟软件的核心，并增强了数字及混合信号模拟方面的功能，是一个可以在Windows95、98和WindowsXP操作系统上运行，用于电子电路仿真的“虚拟电子工作台”。在计算机技术和集成技术的高速发展的21世纪，电子电路的分析与设计、相应专业课程的教学与实验等所采用的方式与方法都发生了重大变化。其中，特别是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation，简称EDA）系统中所包含的虚拟技术已成为现代教育技术的重要组成部分并得到了广泛的应用。EWB电子工作台作为一种功能强大的EDA计算机辅助设计和仿真软件，与其他电路仿真软件相比较，具有功能全面、界面直观、操作方便等优点。本文采用EWB构造了所分析的电路的仿真模型，并给出了仿真结果。为了更直观地解释本次设计所涉及的内容，在充分应用EWB之外，同时利用PowerPoint、CAD制图、SnagIt截图软件来制作一个图文并茂的课件，以期达到一个理想的效果。PowerPoint通常是作为幻灯片制作软件来使用，但在这里我们不仅有效地应用了其强大的文字处理能力，更因为CAD制图、SnagIt截图软件的同时应用而允许文本、图形、动画影像等动态画面的同时存在。给大家一个耳目一新的感觉！CAD作为一个普通的制图软件在这里被应用于电路图的绘画。实践证明，效果不错。SnagIt截图软件最新版本具有超强的动、静态图象截取功能。熟练应用此软件对设计有着巨大的帮助。SnagIt可以对已画好的CAD图片进行截取，配合PowerPoint做成幻灯片形式，SnagIt还可以对具体过程的EWB仿真进行截取，变静为动，最直接地说明本次设计所涉及到的内容。第二章Multisim概论2.1Multisin的特点和软件界面(1)Multisin的特点Multisin软件仿真的手段切合实际，选用的元器件和仪器与实际情况非常接近。绘制电路图所需的元器件仪表均可以屏幕上直接选取，其元件库不仅提供了数千种电路元器件供选用，而且还提供了各种元器件的理想值，如对分析精度有特殊的要求，可以选择具有具体型号的器件模型，而且仪器的操作开关、按钮如同真实仪器，既容易学习又使人特别感兴趣。作为虚拟的电子工作台，该软件提供了较为详细的电路分析手段，不仅可以完成电路的瞬态分析、稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路和噪声分析和失真分析等常规电路的分析方法，而且还提供了离散傅立叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计24种电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。此外它还可以对被仿真电路中的元件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察到在不同故障情况条件下的电路工作状态。在进行仿真的同时，还可以存储测试点的所有数据，列出所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和测量数据。该软件的仪器库存放有多种仪器可供使用。它们分别是数字多用表、函数发生器、示波器、波特图仪、扫频仪、逻辑分析仪和逻辑转换仪等。在连接电路时，仪器以图标方式存在。此外该软件创建电路图所需的元器件库与目前常见的电子电路分析软件如“SPICE”的元器件库完全兼容，两者之间可以互相转换。同时在该软件下完成的电路文件，可以直接输出至常见的印制电路板排版软件，如PROTEL、ORCAD和TANGO等印制电路板PCB设计软件；同时采用截屏软件Camtasia，可以将EWB的仿真过程采样成为视频文件，再通过Premiere软件将该文件转换为通用的AVI或MPEG格式，这样，即便没有EWB环境照样可以播放仿真过程，从而大大加快了电子产品的开发速度，提高了设计人员的工作效率。(2)Multisin软件界面为了更直观、简洁地介绍EWB这一仿真软件，特引入部分较具代表性的EWB界面来帮助说明。〈1〉EWB的主窗口图2-1〈2〉元件库栏图2-2信号源库图2-3基本器件库图2-4二极管库图2-5模拟集成电路库图2-6指示器件库图2-7仪器库图2-8仿真开关图2-92.2Multisin基本操作方法介绍(1)创建电路元器件操作元件选用：打开元件库栏，移动鼠标到需要的元件图形上，按下左键，将元件符号拖拽到工作区。元件的移动：用鼠标拖拽。元件的旋转、反转、复制和删除：用鼠标单击元件符号选定，用相应的菜单、工具栏，或单击右键激活弹出菜单，选定需要的动作。元器件参数设置：选定该元件，从右键弹出菜单中选ComponentProperties可以设定元器件的标签（Label）、编号（ReferenceID）、数值（Value）和模型参数（Model）、故障（Fault）等特性。说明：①元器件各种特性参数的设置可通过双击元器件弹出的对话框进行；②编号（ReferenceID）通常由系统自动分配，必要时可以修改，但必须保证编号的唯一性；③故障（Fault）选项可供人为设置元器件的隐含故障，包括开路（Open）、短路（Short）、漏电（Leakage）、无故障（None）等设置。导线的操作主要包括：导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。连接：鼠标指向一元件的端点，出现小圆点后，按下左键并拖拽导线到另一个元件的端点，出现小圆点后松开鼠标左键。删除和改动：选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选delete。或者用鼠标将导线的端点拖拽离开它与元件的连接点。说明：①连接点是一个小圆点，存放在无源元件库中，一个连接点最多可以连接来自四个方向的导线，而且连接点可以赋予标识；②向电路插入元器件，可直接将元器件拖曳放置在导线上，然后释放即可插入电路中。电路图选项的设置Circuit/SchematicOption对话框可设置标识、编号、数值、模型参数、节点号等的显示方式及有关栅格（Grid）、显示字体（Fonts）的设置，该设置对整个电路图的显示方式有效。其中节点号是在连接电路时，EWB自动为每个连接点分配的。(2)使用仪器电压表和电流表

从指示器件库中，选定电压表或电流表，用鼠标拖拽到电路工作区中，通过旋转操作可以改变其引出线的方向。双击电压表或电流表可以在弹出对话框中设置工作参数。电压表和电流表可以多次选用。数字万能表

数字万能表的量程可以自动调整。图2-10是其图标和面板。图2-10其电压、电流档的内阻，电阻档的电流和分贝档的标准电压值都可以任意设置。从打开的面板上选Setting按钮可以设置其参数。示波器示波器为双踪模拟式，其图标和面板如图2-11所示。图2-11其中：

Expand面板扩展按钮；

Timebase时基控制；

Trigger触发控制；包括：

①Edge上（下）跳沿触发

②Level触发电平

③触发信号选择按钮：Auto（自动触发按钮）；A、B（A、B通道触发按钮）；Ext（外触发按钮）

X（Y）positionX（Y）轴偏置；

Y/T、B/A、A/B显示方式选择按钮（幅度/时间、B通道/A通道、A通道/B通道）；

AC、0、DCY轴输入方式按钮（AC、0、DC）。信号发生器信号发生器可以产生正弦、三角波和方波信号，其图标和面板如图2-12所示。可调节方波和三角波的占空比。图2-12波特图仪波特图仪类似于实验室的扫频仪，可以用来测量和显示电路的幅度频率特性和相位频率特性。波特图仪的图标和面板如图2-13所示。

波特图仪有IN和OUT两对端口，分别接电路的输入端和输出端。每对端口从左到右分别为+V端和-V端，其中IN端口的+V端和-V端分别接电路输入端的正端和负端，OUT端口的+V端和-V端分别接电路输出端的正端和负端。此外在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号源，但对其信号频率的设定并无特殊要求，频率测量的范围由波特图仪的参数设置决定。图2-13其中：

Magnitude（Phase）幅频（相频）特性选择按钮；

Vertical（Horizontal）Log/Lin垂直（水平）坐标类型选择按钮（对数/线性）；

F（I）坐标终点（起点）。In(Out)电路输入（输出）端接口(3)元件库中的常用元件EWB带有丰富的元器件模型库，在电路分析软件实验中要用到的元件及其参数的意义如表2-1和表2-2所示。信号源表2-1元件名称参数缺省设置值设置范围电池（直流电压源）电压V12VuV-kV直流电流源电流I1AuA-kA交流电压源电压频率相位120V60Hz0uV-kVHz-MHzDeg交流电流源电流频率相位1A1Hz0uA-kAHz-MHzDeg电压控制电压源电压增益E1V/VmV/V-kV/V电压控制电流源互导G1SmS-MS电流控制电压源互阻H1ΩmΩ-MΩ电流控制电流源电流增益F1A/AmA/A-kA/A基本元件表2-2元件名称参数缺省设置值设置范围电阻电阻值R1kΩΩ-MΩ电容电容值CuFpF-F电感电感值L1mHuH-H线形变压器匝数比N漏感LE激磁电感LM初级绕阻电阻RP次级绕阻电阻RS20.001H5H0开关键SpaceA-Z,0-9,Enter,Space延迟开关导通时间Ton断开时间Toff0.5S0SpS-SpS-S第三章开发平台的概述本次设计开发平台包括硬件和软件两方面：对硬件的要求比较普通，一般的学生电脑都能胜任（华硕主板、赛扬2.4D以上、80G硬盘、显卡闪存128×128、内存256M）WindowsXP-SP2系统；对软件的运用本次设计主要涉及到Multisim8.0、SnagIt7.1.1、AutoCAD2004、Photoshop7.0、office2004下的PowerPoint和Word。（1）CAD的简介计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术是近年来工程技术领域中发展最为迅速﹑最引人注目的一项高级技术，已成为工业生产现代化的重要标志。对加速工程和产品的开发、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力发挥着重要作用。AutoCAD系列软件是美国Autodesk公司开发的系列图形设计软件，在机械图形设计领域应用非常广泛。AutoCAD软件最早是针对二维设计绘图而开发的，随着其产品的日益成熟，在二维绘图领域该软件已经比较完善。本次设计对CAD的运用主要集中在电路图的绘画方面。源与CAD对二维图形的超强处理能力，对设计的圆满完成起了很大的作用。因CAD已较为大家所熟知，在此仅对CAD的界面做简单的说明。图3-1（2）PowerPoint的简介PowerPoint和Word、Excel等应用软件一样,都是Microsoft公司推出的Office系列产品之一,具有很强大的多媒体编辑功能，主要用于设计制作广告宣传、产品演示的电子版幻灯片,制作的演示文稿可以通过计算机屏幕或者投影机播放。PowerPoint最大的特点是简单易学，即使没有基础的初学者在经过几个小时的培训后，都能做了一个效果不错的幻灯片。PowerPoint内置丰富的动画、过渡效果和几十种声音效果，并有强大的超级链接以及由此带来的交互功能，可以直接调用外部媒体文件。然而在教案制作方面，它的缺陷也是显而易见的：幻灯片形式的播放使得教案缺乏流畅性，动画也有些生硬，交互功能实际上是简单的链接，对于要求较高的课件显得有些力不从心，这时我们就需要配合使用其他功能更强大的软件了。在本次设计中，PowerPoint作为说明EWB具有超强功能的一个基本载体，似乎显得不是那么重要，但也正是成功地运用了PowerPoint软件，才能使本次设计更完美。PowerPoint的界面如图3-2：图3-2（3）SnagIt的简介截图软件SnagIt是一个非常优秀的屏幕、文本和视频捕获与转换程序。可以捕获Windows屏幕、DOS屏幕、RM电影、游戏画面。图象可被存为BMP、PCX、TIF、GIF或JPEG格式，也可以存为系列动画。另外，Snagit还拥有包括光标，添加水印等设置。其最新版本还能嵌入Word、PowerPoint和IE浏览器中。作为一款截图软件，是否具备强大的截图功能是衡量其是否优秀的最重要的因素。SnagIt有多种截图方式可供选择，支持多种截取对象，基本上只要是屏幕上能够显示的内容，都能截取下来。作用一款几乎全能的抓图工作，如今已经发展到了SnagIt7.1.1版。下面就针对Snagit作一个即简单又系列的介绍。Snagit的界面图3-3SnagIt的菜单栏中共有六项：（见图3-3）〈1〉Input:主要是选择图片抓取的范围。您可以在其中选择抓取全屏、窗口、特定区域、菜单等。您甚至可以选择在DOS模式下进行抓取图片〈2〉Output:主要是把抓取的图片传送到指定的地方，如打印机、剪贴板、文件夹、电子邮件等〈3〉Filters:滤镜。它可以对图片进行一些特效处理，如旋转、变形、调整色彩、亮度等〈4〉Options:选项。这里用来设置SnagIt的属性〈5〉Tools:工具。它实际上就是主界面左侧列出的一些快捷键，Capture是用来启动抓图的，Catalog是用来看图的，SnagitStudio是加强SnagIt的一个免费的共享软件，它会使你的图片看起来更专业化，但需要先安装才能使用；Imagecapture是进行图像抓取的；TextCapture是进行文本抓取的；VideoCapture是进行影像抓取的〈6〉Help:帮助主界面右下侧的大片区域是实时的显示您正在进行的操作，它分为Input、Output、Filters、Options四项。近期刚出现的新版的SnagIt7.1.1版，功能更完善，界面更友善，而且属完全破解版，更适合我们的使用。界面如图3-4：图3-4SnagIt的“捕获配置文件”是捕获开始的第一步，其主要作用就是让我们先预设好我们接下来要捕获的对象（图象文字视频和网络）的区域。基本的捕获配置文件界面如图3-5：图3-5区域到文件：这里可以设置以鼠标所选择的区域为保存对象的捕捉方式。比如说：我们要捕获“我的电脑”图标，首先选择捕捉的模式为“图象”项，点击左上方的“捕获”按钮。这时我们可以通过鼠标绘制一选区将“我的电脑”图标包围，这样，我们就完成初步的捕获。图3-6最后，只需要点击图3-6中左上角的“完成（文件）”就可以对所捕获的图象进行保存。注意：SnagIt7.1.1提供了多种格式的图象保存文件，我们可以在保存文件时进行选择。区域到剪贴板：在选中“捕获配置文件”中的“区域到剪贴板”项后，我们所捕获的图象就会直接复制到剪贴板中，这样我们就可以对捕捉的图象进行任何形式的粘贴了。窗口到文件：在点击“开始捕获“后，变成转手形状的鼠标就只对出现在屏幕上的窗口有效了。滚动窗口：选择该项的捕获，在开始捕获后鼠标就变成了手的形状，同时也会出现提示框。该选项主要是利用鼠标滚动所经过的区域为标准范围形成捕获图象的。但是唯一的缺点就是鼠标滚动是并不显示滚动的路径，这就对要捕获的图象的范围的确定带来了一定的困难。屏幕中的对象：对这个选项，我们利用最多的就是捕获屏幕上的图标，与第一个“区域到文件”的捕获方式捕获电脑上的图标相比，通过这个选项捕获的图标要规范得多。整个屏幕：选它简单，只要点击屏幕就可以了。第四章Multisim在电路仿真及设计中的应用4.1运用Multisim进行仿真的步骤本次设计的重点，也是亮点，该是虚拟电子工作台（EWB）仿真电路的应用。在具体的设计过程中，并不是单一地运用EWB进行电路的仿真，具体什么时候运用EWB对电路的仿真，有一个明确的步骤。4.1.1CAD图的绘制在这个步骤中，主要根据材料中给出的电路图，运用CAD超强的二维制图功能，绘出完美的二维图。并运用SnagIt将图截取和保存。图4-14.1.2制作PowerPoint幻灯片幻灯片作为本次设计的载体，起着重要的作用。制作幻灯片并不马上定稿，而是对设计中的文字部分作一个先期的处理，为后续步骤如图片和表格的插入作铺垫。图4-24.1.3EWB仿真并用SnagIt进行视频截取根据具体的电路图，在EWB中找到所需元件，按实际电路的连接方式进行连接图4-3按电路中各元件参数大小对EWB所画电路中相应元件的参数进行设定图4-4根据题目中所要求计算的内容确定所需的仪表并接入电路图4-5电路接地，打开各个测量仪表的对话框准备仿真图4-6打开仿真启动开关进行电路仿真，读取仪表显示的数值图4-74.1.4Multisim和PPT的衔接在幻灯片中插入CAD电路图和EWB仿真影片以得到一个完美的效果。图4-8图4-94.1.5演示文稿的后期处理在这个步骤中，主要完成幻灯片动画效果和超链接的制作，使得整个演示文稿更美观。4.2直流电路实验为了更好地说明运用EWB在电路仿真中的步骤，特选取一典型的实验作为EWB仿真的原始材料加以说明。在本次实验中所需用到的元件如图4-10所示：从左至右依次为：直流电源、电阻、电流表、电压表、接地、开关图4-10实验一直流电路4.2.1实验目的1.学习使用数字万用表测量电阻与交、直流电压；2.验证基尔霍夫电压定律及电流定律，加深对正方向的理解；3.验证线性电路的叠加原理；4.验证戴维宁定理和诺顿定理，学会测量戴维宁等效电路中的开路电压、诺顿等效电路中的短路电流及等效内阻的方法；5.自拟电路验证负载上获得最大功率的条件。4.2.2实验原理1.基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律：电路中，某一瞬间流入和流出任一节点的电流的代数和等于零，即∑I=0。基尔霍夫电压定律：电路中，某一瞬间沿任一闭合回路一周，各元件电压降的代数和等于零，即∑U=0。图4-112.叠加原理在具有多个独立电源的线性电路中，一条支路中的电流或电压，等于电路中各个独立电源分别作用时，在该支路中所产生的电流或电压的代数和。值得注意的是，叠加原理只适用于电流或电压的计算，不适用于功率的计算。3.等效电源定理(1)戴维宁定理：一个线性有源二端网络，可以用一个理想电压源和一个等效电阻串联构成的电压源等效代替。等效电压源的源电压为有源二端网络的开路电压；串联电阻为有源二端网络中所有独立电源作用为零时的无源二端网络的等效电阻。(2)诺顿定理：一个线性有源二端网络，可以用一个理想电流源和一个等效电阻并联构成的电流源等效代替。等效电流源的源电流为有源二端网络的短路电流；并联电阻为有源二端网络中所有独立电源作用为零时的无源二端网络的等效电阻。图4-124.最大功率传输正确匹配负载电阻，可在负载上获得最大功率，如图4-13所示，电路中功率和负载的关系可用下式表示(其中RL为负载，可变；RS为电源内阻，不变)，图4-13为求得RL的最佳值，应将功率P对RL求导，即得RL=RS，即为负载获得最大功率的条件。运用EWB进行负载最大功率的仿真图4-14在上图（即图4-14）中，我们可以清楚地看到所使用的几种元件，先将每个元件具体所在的工具条列举出来以便更清楚地说明。图4-15其中：分别调用了每个工具条的第1、第10、第3和第4个标准元件4.2.3实验内容数字万用表的使用使用数字万用表测量实验板上各电阻的阻值，直流稳压电源的输出电压（可改变输出电压大小多测量几次），实验台上的交流电源的电压大小。注意：用数字万用表测量电阻时，电阻不能带电；测量不同的电量，万用表要正确换档。2.实验电路本实验采用图4-16所示的含有两个独立电源的线性电路。实验时要正确连接线路。3.基尔霍夫定律按图4-16所示电路连线，分别测出各元件两端的电压和各支路中的电流，并记录。用以验证基尔霍夫电流定律和电压定律。--E1E2I2I1I3I4++-R2R1图4-16直流电路实验图R3R4R5AAAAA2720060100100I5CB12V14V运用EWB进行基尔霍夫电流定律和电压定律的仿真图4-17在这一阶段的仿真过程中，按电路图所示将个元件连接并根据实验要求接入各种测量用的电流表和电压表，具体的就是指图4-18所示的第1-4和第9-12的标准元件：图4-184.叠加原理在图4-16中，按E1和E2共同作用、E1单独作用、E2单独作用的次序，测量各支路的电流，并记录，电流值的正负号以图4-16中各支路电流的参考方向为准。注意：当E1单独作用时E2不起作用，对E2的处理方法是将作为E2的稳压电源关闭并拆除，另用一根导线把实验板上E2的两接线柱短接。同样E1不起作用时亦如此处理。运用EWB进行叠加原理的仿真●E1和E2共同作用图4-19●E1单独作用图4-20●E2单独作用图4-215.戴维宁定理在图4-16中，将R5支路去掉，测量有源二端网络B、C间开路电压UOC、等效内阻RO和电阻R5的数值，并将所测数据记录。运用EWB进行戴维宁定理的仿真图4-22和上一个阶段相比，在这一阶段我们要新加入一个元件（万能表），即图4-23所示工具条中的第一个标准元件：图4-236.诺顿定理同实验内容5，去掉R5支路，测量有源二端网络B、C之间短路电流ISC，等效电阻RO和支路电阻R5，并将所测数据记录。运用EWB进行诺顿定理的仿真图4-247.最大功率传输条件测试首先参照原理简述中的说明推导出负载获得最大功率的条件，然后自拟电路，自制表格，并进行测试。4.2.4实验设备实验中使用的设备见表4-1。表4-1名称规格与型号数量实验电路板参数见电路图1-21块数字万用表MS82171块直流稳压电源EM1719A2台直流毫安表C65-Ma,0-300mA,6档1块表3-1所列举的实验设备在EWB中标准元件如图4-25所示：图4-254.2.5实验要求1.实验题目、目的、内容(包括实验电路图和实验数据表格)；2.整理所有的测量数据，记于相应的表格中，并根据要求进行计算；3.根据实验数据，可选择任一回路、节点或支路，验证基尔霍夫定律、戴维宁定理、叠加原理，分析产生误差的原因；4.画出最大功率传输实验的电路图、必要的测量表格，写出推导过程，画出P=f(RL)曲线，说明实验结果；5.分析实验中遇到的问题及解决办法，写出实验后的一些体会。4.2.6注意事项1.严禁电源短路，换接线路时要将稳压电源关闭；2.根据被测对象随时转换万用表的测试按键、表笔插孔及面板按键；3.测量电流时要将表串接在电路中，严禁同电源并联；4.测量电阻时，要切断电源，严禁带电测量电阻；5.测量电流或电压时，如发现表针反转，应把两个接线端子上的接线予以对调。第五章结束语

运用EWB进行电子电路的仿真模拟实验，实验结果非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会像实际操作那样遇到因元件多次拆卸而损坏器件和印刷电路板的困扰。运用EWB使电路调试变得快捷方便。对《模拟电子技术基础》课程中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证，也能运用于多级的组合电路。EWB的元件库不仅提供了各种分立元件和集成电路元器件,而且提供了丰富的调试测量工具：电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等，是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。可以在任意组合的实验环境中搭建实验。对于常规电路，可用测量各点电压、电流，波形等常规方法来调试和测量电路。对于较大规模的电路，可分级接线和调试。通过元件复制或单级电路的复制来完成整个电路的组装。因此也适用于较大型的设计性实验。EWB（虚拟电子工作平台）为我们提供了一个很好的实用工具，使我们能够在日常学习过程中随时进行电路的实验、演示和电路分析。也可以通过EWB仿真实验深入浅出地分析各种电路的特性，了解各种参数改变对电路的影响。结合学习内容，进行接近于实际电路的调试分析，有利于加深对理论知识的理解。特别值得一提的是，通过这样