《电子线路基础》课件第10章

第10章电子电路仿真软件Multisim10.1

Multisim仿真软件概述10.2

Multisim软件的基本功能10.3

Multisim的基本分析方法10.4

Multisim在电子线路基础中的应用 10.1

Multisim仿真软件概述电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印制电路板的自动生成，其中包括印制板的温度分布和电磁兼容性测试，代表着现代电子系统设计的技术潮流。

20世纪80年代加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnologic简称IIT公司）推出的颇具特色的电子仿真软件EWB5.0，曾经风靡世界。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在20世纪90年代就在我国得到迅速推广，受到电子行业技术人员的青睐。跨入21世纪后，加拿大IIT公司在保留原版本优点的基础上，增加了更多功能和内容，改进了EWB5.0软件虚拟仪器调用有数量限制的缺陷，推出EWB6.0版本，并取名Multisim（意为多重仿真），也就是Multisim2001版本。2003年Multisim2001升级为Multisim7.0版本。电子仿真软件Multisim7.0功能相当强大，能胜任各种电子电路的分析和仿真实验。它有十分丰富的电子元器件库，可供用户调用组建仿真电路进行实验；它提供18种基本分析方法，可供用户对电子电路进行各种性能分析；它还有多达17台虚拟仪器仪表和一个实时测量探针，可以满足一般电子电路的测试和实验。

但它有一个缺点，就是将电阻的单位Ω用“Ohm”三个字母表示，使用起来不方便。除了这一点之外，电子仿真软件Multisim7.0已经相当成熟和稳定，是加拿大IIT公司在开拓电子仿真软件领域中的一个里程碑。以后加拿大IIT公司又相继推出Multisim8.0等版本，并将电阻的单位“Ohm”三个字母改为用Ω表示。Multisim8.0版本除了增加了一些元件库品种、一台“泰克”示波器和其他一些功能之外，给人的印象与Multisim7.0相比并没有太大的区别。也可以说Multisim8.0版本是加拿大IIT公司推出的电子仿真软件的终极版。2005年以后，加拿大IIT公司已经隶属于美国国家仪器公司（NationalInstrument，简称NI公司），美国NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。美国NI公司推出的Multisim9.0版本与以前加拿大IIT公司推出的Multisim7.0版本有着本质上的区别。虽然它的界面、元件调用方式、搭建电路、虚拟仿真、电路基本分析方法等沿袭了EWB的优良传统，但软件的内容和功能已大不相同。比如它的元件工具条中增加了单片机和外围设备。另外，在Multisim9.0中增加了4台Labview采样仪器，它们分别是：麦克风、播放器、信号发生器和信号分析仪。2007年初，美国NI公司又推出最新的NIMultisim10版本，在安装NIMultisim10软件的同时，也同时安装了与之配套的制版软件NIUltiboard10，并且两个软件位于同一路径下面，给用户使用提供了极大的方便。可见，现在美国NI公司推出的NIMultisim10软件，不再是以前的EWB了。可以这样认为，EWB的主要功能在于一般电子电路的虚拟仿真；而NIMultisim10软件则不仅仅局限于电子电路的虚拟仿真，其在Labview虚拟仪器、单片机仿真等技术方面都有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。它具有如下特点：（1）Multisim具有直观的图形界面。整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标后可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。（2）Multisim具有一个庞大的元器件库。具备如信号源、基本元器件、模拟集成电路、数字集成电路、指示部件、控制部件等各种元器件。（3）Multisim具有强大的仿真能力。既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频（RF）电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息，提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。（4）强大的分析功能。提供了14种仿真分析方法，如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、参数扫描分析、零极点分析、传递函数分析、温度扫描分析、后处理分析等。（5）强大的虚拟仪器功能。如示波器、万用表、瓦特计、扫描仪、失真仪、网络分析仪、逻辑转换仪、字信号发生器等。（6）VHDL/Verilog设计输入和仿真。Multisim软件将VHDL/Verilog的设计和仿真包含进去，使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普通电路融为一体仿真的瓶颈。（7）可以与电路板设计软件无缝连接。Multisim软件的设计结果可以方便地导出到电路板设计软件中来进行电路板布线。（8）远程控制功能。Multisim软件支持远程控制功能，不仅可以将Multisim软件的界面共享给其他人，使得其他人在自己的计算机上能看到控制者的操作情况，而且可以将控制权交给其他人，让其操作该软件，这样可以实现交互式教学。10.2

Multisim软件的基本功能10.2.1

Multisim基本操作

1.基本界面

Multisim基本界面如图10－1所示，有工具栏、元器件栏、菜单栏、仪器仪表栏、电路工作区、状态栏和仿真电源开关等。Multisim常用的文件操作有：New——新建文件、Open——打开文件、Save——保存文件、SaveAs——另存文件、Print——打印文件、PrintSetup——打印设置和Exit——退出等相关的文件操作。以上这些操作可以在菜单栏File子菜单下选择命令，也可以应用快捷键或工具栏的图标进行快捷操作。图10－1

Multisim基本界面

2.子电路创建子电路是用户自己建立的一种单元电路。将子电路存放在用户器件库中，便可以反复调用并使用。利用子电路可以简化复杂系统的设计，还可增加设计电路的可读性、提高设计效率、缩短电路周期。创建子电路的工作需要以下几个步骤：选择、创建、调用、修改。子电路选择：把需要创建的电路放到电子工作平台的电路窗口上，按住鼠标左键，拖动，选定电路。被选择电路的部分由周围的方框标示，便完成子电路的选择。子电路创建：单击Place/ReplacebySubcircuit命令，在屏幕出现SubcircuitName的对话框中输入子电路名称sub1，单点OK按钮，选择电路并复制到用户器件库，同时给出子电路图标，便完成子电路的创建。子电路调用：单击Place/Subcircuit命令或使用Ctrl+B快捷键操作，输入已创建的子电路名称sub1，即可使用该子电路。子电路修改：双击子电路模块，在出现的对话框中单击EditSubcircuit命令，屏幕显示子电路的电路图，直接修改该电路图。子电路的输入/输出：为了能对子电路进行外部连接，需要对子电路添加输入/输出。单击Place/HB/SBConnecter命令或使用Ctrl+I快捷键操作，屏幕上出现输入/输出符号，将其与子电路的输入/输出信号端进行连接。带有输入/输出符号的子电路才能与外电路连接。10.2.2电路的创建（1）选择元器件库。在元器件栏中单击要选择的元器件库图标，打开该元器件库。在屏幕出现的元器件库对话框中选择所需的元器件，常用元器件库有13个：信号源库、基本元件库、二极管库、晶体管库、模拟器件库、TTL数字集成电路库、CMOS数字集成电路库、其他数字器件库、混合器件库、指示器件库、其他器件库、射频器件库、机电器件库等。（2）选择元器件。鼠标点击元器件，可选中该元器件。（3）元器件操作。选中元器件，单击鼠标右键，在菜单中出现下列操作命令：（4）设置元器件特性参数。双击该元器件，在弹出的元器件特性对话框中，可以设置或编辑元器件的各种特性参数。元器件不同，每个选项下将对应不同的参数。例如：NPN型三极管的选项为：

Label——标识Display——显示Value——数值Pins——管脚（5）电路图。选择菜单Options栏下的SheetProperties命令，出现如图10－2所示的对话框，每个选项下又有各自不同的对话内容，用于设置与电路显示方式相关的选项。图10－2电路图选项10.2.3虚拟仪器的使用

1.数字万用表

Multisim提供的万用表外观和操作与实际的万用表相似，可以测电流值（A）、电压值（V）、电阻值（Ω）和分贝值（dB），可测直流或交流信号。万用表有正极和负极两个引线端，如图10－3所示。图10－3数字万用表

2.函数发生器

Multisim提供的函数发生器可以产生正弦波、三角波和矩形波，信号频率可在1Hz~999MHz范围内调整。信号的幅值以及占空比等参数也可以根据需要进行调节。信号发生器有三个引线端口：负极、正极和公共端，如图10－4所示。图10－4函数发生器

3.瓦特表

Multisim提供的瓦特表用来测量电路的交流或者直流功率，瓦特表有四个引线端口：电压正极和负极、电流正极和负极，如图10－5所示。图10－5瓦特表

4.双通道示波器

Multisim提供的双通道示波器的外观和基本操作与实际的示波器基本相同，该示波器可以观察一路或两路信号波形的形状，分析被测周期信号的幅值和频率，时间基准可在秒至纳秒范围内调节。示波器图标有四个连接点：A通道输入、B通道输入、外触发端T和接地端G，如图10－6所示。图10－6双通道示波器示波器的控制面板分为四个部分：

1）Timebase（时间基准）

Scale（量程）：设置显示波形时的X轴时间基准。

Xposition（X轴位置）：设置X轴的起始位置。显示方式设置有四种：Y/T方式指的是X轴显示时间，Y轴显示电压值；Add方式指的是X轴显示时间，Y轴显示A通道和B通道电压之和；A/B或B/A方式指的是X轴和Y轴都显示电压值。

2）ChannelA（通道A）

Scale（量程）：通道A的Y轴电压刻度设置。

Yposition（Y轴位置）：设置Y轴的起始点位置，起始点为0表明Y轴和X轴重合，起始点为正值表明Y轴原点位置向上移，否则向下移。触发耦合方式：AC（交流耦合）、0（0耦合）或DC（直流耦合），交流耦合只显示交流分量，直流耦合显示直流和交流之和，0耦合则在Y轴设置的原点处显示一条直线。

3）ChannelB（通道B）通道B的Y轴量程、起始点、耦合方式等内容的设置与通道A相同。

4）Tigger（触发）触发方式主要用来设置X轴的触发信号、触发电平及边沿等。Edge（边沿）：设置被测信号开始的边沿，设置先显示上升沿或下降沿。Level（电平）：设置触发信号的电平，使触发信号在某一电平时启动扫描。触发信号选择：Auto（自动）为通道A和通道B表明用相应的通道信号作为触发信号；ext为外触发；Sing为单脉冲触发；Nor为一般脉冲触发。

5.波特图仪利用波特图仪可以方便地测量和显示电路的频率响应，波特图仪适合于分析滤波电路或电路的频率特性，特别易于观察截止频率。需要连接两路信号，一路是电路输入信号，另一路是电路输出信号，需要在电路的输入端接交流信号。波特图仪控制面板分为Magnitude（幅值）或Phase（相位）的选择、Horizontal（横轴）设置、Vertical（纵轴）设置、显示方式的其他控制信号，面板中的F指的是终值，I指的是初值。在波特图仪的面板上，可以直接设置横轴和纵轴的坐标及其参数。例如，构造一阶RC滤波电路，如图10－7所示，输入端加入正弦波信号源，电路输出端与示波器相连，目的是为了观察不同频率的输入信号经过RC滤波电路后输出信号的变化情况。图10－7

RC滤波电路

图10－7~图10－42中的元器件符号是Multisim软件中的符号，同国标有所不一致，在此特别说明。调整纵轴幅值测试范围的初值I和终值F，并调整相频特性纵轴相位范围的初值I和终值F，如图10－8所示。图10－8调整波特图仪的幅值测试范围和相频范围图10－9相频特性曲线

6.IV分析仪

IV分析仪专门用来分析晶体管的伏安特性曲线，如二极管、NPN管、PNP管、NMOS管、PMOS管等器件。IV分析仪相当于实验室的晶体管图示仪，需要将晶体管与连接电路完全断开，才能进行IV分析仪的连接和测试。IV分析仪有三个连接点，可实现与晶体管的连接。IV分析仪面板左侧是伏安特性曲线显示窗口；右侧是功能选择，如图10－10所示。图10－10

IV分析仪 10.3

Multisim的基本分析方法

Multisim提供了14种仿真分析方法，如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、参数扫描分析、零极点分析、传递函数分析、温度扫描分析、后处理分析等。在这里通过具体的电路分析介绍其中几种基本的分析方法。10.3.1直流工作点分析直流工作点分析也称静态工作点分析。电路的直流分析是在电路中电容开路、电感短路时，计算电路的直流工作点，即在恒定激励条件下求电路的稳态值。在电路工作时，无论是大信号还是小信号，都必须给半导体器件以正确的偏置，以便使其工作在所需的区域，这就是直流分析要解决的问题。了解电路的直流工作点后，才能进一步分析电路在交流信号作用下电路能否正常工作。求解电路的直流工作点在电路分析过程中是至关重要的。为了分析电路的交流信号是否能正常放大，必须了解电路的直流工作点设置得是否合理，所以首先应对电路的直流工作点进行分析。这里在Multisim工作区构造一个单管放大电路，电路中电源电压、各电阻和电容的取值如图10－11所示。图10－11单管放大电路图10－12直流工作点分析对话框

1.Output选项

Output选项用于选定需要分析的节点。图10－12B图左边Variablesincircuit栏内列出电路中各节点电压变量和流过电源的电流变量。其右边Selectedvariablesfor栏用于存放需要分析的节点。具体做法是：先在左边Variablesincircuit栏内选中需要分析的变量（可以通过鼠标拖拉进行全选），再单击Add按钮，相应变量则会出现在Selectedvariablesfor栏中。如果Selectedvariablesfor栏中的某个变量不需要分析，则先选中它，然后单击Remove按钮，该变量将会回到左边的Variablesincircuit栏中。

2.AnalysisOptions和Summary选项用户通过检查可以确认这些参数的设置。单击图10－12B下部的Simulate按钮，测试结果如图10－13所示。测试结果给出电路中各个节点的电压值。根据这些电压的大小，可以确定该电路的静态工作点是否合理。如果不合理，可以改变电路中的某个参数，利用这种方法，可以观察电路中某个元件参数的改变对电路直流工作点的影响。图10－13直流工作点的仿真结果10.3.2交流分析交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它计算电路的幅频特性和相频特性，是一种线性分析方法。Multisim在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线性元件进行线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路，并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。在进行交流分析时，电路工作区中自行设置的输入信号将被忽略。也就是说，无论给电路的信号源设置的是三角波还是矩形波，进行交流分析时，都将自动设置为正弦波信号，以分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲线。这里仍采用单管放大电路作为实验电路，电路如图10－11所示。这时，该电路直流工作点分析的结果如下：三极管的基极电压约为0.653V，集电极电压约为5.46V，发射极电压为0V。执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择ACAnalysis，则出现交流分析对话框，如图10－14所示。图10－14交流分析对话框电路的交流分析测试曲线如图10－15所示，该测试结果给出了电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，幅频特性曲线则显示了3号节点（电路输出端）的电压随频率变化的曲线；相频特性曲线则显示了3号节点的相位随频率变化的曲线。由交流频率分析曲线可知，该电路大约在频率7Hz～24MHz范围内放大信号，放大倍数基本稳定，且相位基本稳定。超出此范围时，输出电压将会衰减，相位会改变。图10－15交流分析测试曲线10.3.3瞬态分析瞬态分析是一种非线性时域分析方法，是在给定输入激励信号时，分析电路输出端的瞬态响应。Multisim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，选择合理的时间步长，计算输出端在每个时间点的输出电压，输出电压由一个完整周期中的各个时间点的电压来决定。启动瞬态分析时，只要定义起始时间和终止时间，Multisim就可以自动调节合理的时间步进值，以兼顾分析精度和计算时需要的时间，也可以自行定义时间步长，以满足一些特殊要求。构造一个单管放大电路，电路中电源电压、各电阻和电容的取值如图10－16所示。图10－16单管放大电路图10－17瞬态分析对话框可以对瞬态分析对话框中的初始条件和参数进行设置。放大电路的瞬态分析曲线如图10－18所示。分析曲线给出输入节点2和输出节点5的电压随时间变化的波形，纵轴坐标是电压，横轴是时间轴。从图中可以看出输出波形和输入波形的幅值相差不太大，这主要是因为该放大电路的晶体管发射极接有反馈电阻，从而影响了电路的放大倍数。图10－18瞬态分析曲线

10.4

Multisim在电子线路基础中的应用10.4.1静态工作点设置对电路性能的影响三极管电路的静态工作点的设置对电路的性能会产生大的影响，包括放大倍数，失真和最大不失真输出电压等。以共发射极电路为例，用Multisim仿真来研究静态工作点对这些性能产生什么样的影响。电路组成如图10－19所示。图10－19单管共射电路根据上面的电路，我们估算出静态工作点：1.静态工作点对失真的影响当输入幅度为10mv的1kHz的正弦波时，通过改变Rw的大小改变静态工作点，观察输出波形，研究静态工作点的设置对输出波形失真的影响。图10-20分别给出了Rw为3％，7％和88％时的输出波形。Rw为3％时的输出波形为上大下小，波形产生了饱和失真；Rw为7％时的输出波形正常；

Rw为88％时的输出波形为上小下大，波形产生了截止失真。图10-20输出波形

2.对放大倍数的影响因为放大倍数和动态电阻rbe有关，我们计算放大倍数必须先计算rbe的值：通过上述的公式我们发现，通过改变RW的大小改变静态工作点，也可以改变电压放大倍数，图10-21给出了RW为32%时的输出波形和RW为10%时的输出波形，计算出电压放大倍数，当RW为32%时；当RW为10%时。图10－21输出波形

3.对最大不失真输出电压的影响最大不失真电压和静态工作点有关，当改变静态工作点时也就改变了最大不失真电压。最大不失真电压为图10－22给出了RW为32%时的输出波形、RW为20%时的输出波形以及RW为40%时的输出波形，分析最大不失真电压，当RW为32%时UOM=1.5div；当RW为20%时UOM=2.5div；当RW为40%时UOM=0.7div。当RW增大时，最大输出电压减小；当RW减小时，最大输出电压增大。图10－22输出波形10.4.2负反馈对放大电路性能的改善负反馈放大电路可以改善电路的许多性能，如稳定电压放大倍数，减小非线性失真，展宽通频带，改变输入电阻和输出电阻，如图10－23给出了引入交流负反馈的电路。电容C1接上时没有引入交流反馈，断开时引入了交流反馈。图10－23负反馈的电路

1．减小非线性失真通过对比接入反馈和没有反馈的输出波形，如图10－24所示，我们可以发现，无交流负反馈时的输出波形产生了失真，有交流负反馈时的输出波形没有失真。引入交流负反馈后电路的非线性失真减小，放大倍数降低。图10－24输出波形

2．展宽通频带通过对比接入反馈和没有反馈的波特图的幅频特性，如图10－25所示，我们可以发现，无交流负反馈时的通频带窄，有交流负反馈时的通频带宽。引入交流负反馈后电路的通频带展宽。图10－25波特图

3．改变输入电阻和输出电阻引入交流负反馈会改变输入电阻和输出电阻，不同组态对输入电阻和输出电阻会产生不同的影响。下面以电压串联负反馈电路为例进行仿真，电路图如图10－26所示。（1）计算输入电阻。我们在输入端加入电压表和电流表测得电压和电流值来计算电路的输入电阻。图10－27是引入交流负反馈时的电路，图10－28是没有交流负