Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　７在模拟电路实验教学改革中的应用

　　摘 要：Multisim 7是一种功能非常强大的电路仿真软件，运用该软件的仿真功能，可以实现模拟电路的分析和设计。为了能够全面地描述Multisim 7仿真软件，通过具体的实例进行阐述，并利用直流分析和交流分析的方法，分析该电路的静态工作点、幅频特性、电压特性、电流特性等特征参量。通过这些分析结果，证明该仿真软件对于模拟电路实验的教学改革可以起到非常积极的作用。与以往处理此类问题不同，这里采用理论和实践相结合的方法。
　　关键词：模拟电路实验;虚拟实验室;静态工作点;Multisim 7
　　中图分类号：TP391.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1600303
　　
　　Application of Multisim 7 in the Reform of Experimentation Teaching in Analog Electronics
　　ZHANG Weishan
　　(Qingyuan Polytechnic College,Qingyuan,511510,China)
　　Abstract：Multisim 7 is a very mighty emulational software,based on this software,the analysis and device for analog electronics can be realized.In order to demonstrate this software comprehensively,using the embodied instance to explain,and utilize the direct analysis,alternate analysis to analyze the static state point,amplitudefrequency trait,voltage trait,current trait,then testify that it is very important for this software to strengthen the teaching reform of analog electronics.The difference from the other papers lies in that uses the combination of theory and practice.
　　Keywords：analog electronics experiment;virtual laboratory;static state point;Multisim 7
　　
　　基于计算机技术的EDA仿真和虚拟仪器技术改变了电子技术实验的教学观念、教学理念、教学方法和教学过程。仿真和虚拟实验作为一种虚拟的实验过程，在实验的研究、设计和开发等环节内对真实的实验过程起到了非常大的促进作用。针对不同的实验目的，存在着不同的仿真软件，例如可以支持电路类实验仿真平台的EWB/Multisim，Protel DxP，OrCAD等；支持系统设计和仿真的软件有SystemView，Matlab等；支持虚拟仪器系统设计的是LabVIEW。
　　《模拟电路技术实验》是一门实践性很强的专业技术基础实验课程，是对模拟电子技术理论知识的重要补充。在该类实验中，需要利用所学知识，完成实验方案、实验电路图的设计与组建，所需元件的参数确定以及对应的测量工作。由于电子技术的发展，元器件、仪器的更新和淘汰是非常迅速的，所以单独依赖实际的仪器来完成这些实验就显得非常被动。
　　本文中介绍了利用Multisim 7进行模拟实验的方法。
　　
　　1 Multisim 7 介绍
　　
　　Multisim 7软件是由加拿大的Interactive Image Technologies公司在2003年推出的Multisim系列软件版本，该软件是对该公司的电子线路仿真软件EWB（Electronics WorkBench,虚拟电子工作台）经过多次改进，升级得到。该软件的主要功能特点有：
　　（1） 直观的界面
　　Multisim 7软件把电路原理图的创建、电路的测试分析和仿真结果等内容都集成到一个电路窗口中，整个操作界面就像一个电路实验平台，与实践操作非常相似，能满足教学上的要求。
　　（2） 种类繁多的元件和模型
　　元件库非常的大，包含了13 000多个元件；元件库中含有所有的标准器件以及当今最先进的数字集成电路；含有大量的交互元件、指示元件、虚拟元件、额定元件和三维立体元件，可以满足不同的应用目的；除了Multisim 7软件自带的主元件库外，用户还可以建立“公司元件库”，这样有助于一个团队的交流使用，Multisim 7还提供了多种向元件库中添加个人建立的元件模型的方法。
　　（3） 功能强大的虚拟仪器
　　主要包括逻辑分析仪、安捷伦仪器、波特图仪、失真分析仪、频率计数器、函数信号发生器、数字万用表、网络分析仪、频谱分析仪、瓦特表和字信号发生器等18种虚拟仪器，并且其功能与实际仪表相同，可解决购置这些实际仪器设备所需巨额经费不足问题。
　　（4） 完善的分析手段
　　除了所含有的虚拟仪表外，Multisim 7还提供直流工作点分析、交流分析、敏感度分析、3 dB点分析、批处理分析、直流扫描分析、失真分析、傅里叶分析、模型参数扫描分析、蒙特卡罗分析、噪声分析、噪声系数分析、温度扫描分析、传输函数分析、用户自定义分析和最坏情况分析等19种分析手段，这些分析在现实中有可能是无法实现的。
　　（5） 强大的仿真功能
　　用Multisim 7不仅可以完成SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 仿真，而且还可以实现RF（射频）电路的仿真。
　　
　　2 Multisim 7仿真软件的应用
　　用Multisim 7完成仿真实验的一般步骤是：创建仿真电路图→确定仿真分析手段→启动
　　Mmutisim 7仿真→完成仿真分析。这里以OTL低频功率放大实验电路为例来介绍该仿真实验。
　　2.1 创建仿真电路图
　　首先确定实验电路；然后打开Mmutisim 7，通过左边的元件工具栏（Component Toolbar）选择合适的元器件；通过右边的仪表工具栏（Instrument Toolbar）选择合适仪表；然后通过放置(Place)栏，选取连接点并确定其位置；用导线把所选用的元器件、仪器仪表和连接点进行连接；最后根据需要，合理地调整元器件和仪器仪表的位置，最后得到图1所示的仿真实验结果。
　　图1 OTL低频功率放大器仿真电路2.2 仿真实验过程
　　2.2.1 静态工作点调试
　　(1) 将输入信号为零(ui=0)电源进线中串入直流毫安表，调节电位器RA，用万用电表测量A点电位，使uA=(1/2)UCC，仿真结果见图2所示。
　　图2 A点电位的仿真结果 图3 静态电流的仿真结果
　　（2） 调整输出极静态电流及测试各级静态工作点
　　调节电位器RB=0，在输入端接入f=1 kHz的正弦信号ui。逐渐加大输入信号的幅值，此时，输出波形应出现较严重的交越失真，如图4所示；然后缓慢增大RB，当交越失真刚好消失时，停止调节RB。 此时直流毫安表读数即为输出级静态电流。该数值按要求应在5~10 mA左右，如图3所示。
　　
　　输出端电流调好以后，对T1,T2,T3进行直流仿真分析，得到如图5所示的仿真结果。
　　图4 交越失真图5 静态工作点分析2.2.2 最大输出功率Pom和效率η的测试
　　逐渐增大ui，同时用示波器观察输出电压uo波形，当输出电压达到最大不失真输出时，用万用电表测出此时负载RL上的电压Uom，仿真结果见图6所示。
　　由此可得： Pom1=U.2omRL=0.145 W
　　当用瓦特计直接测量时，得到其最大不失真输出功率为Pom2=0.141 W，两者非常的接近，从而间接证明该测量过程的准确性。
　　图6 负载电阻电压 图7 最大不失真输出功率
　　在理想的情况下，最大输出功率Pom=18·U.2CCRL=0.39 W，实际上“OTL低频功率放大器”电路的额定（不失真）输出功率为理论上最大输出功率的（40~60）%（reference），即0.156~0.234 W，仿真结果与理论分析基本相符。
　　2.2.3 频率响应的测试
　　用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线非常方便，将电路的输入和输出部分分别连接至波特图示仪输入和输出端，然后双击XBP1波特图示仪的图标，设置合理的参数，最后打开电路的仿真开关，最后得到图8所示幅频特性曲线。然后用鼠标拖动游标，从指针运数处找到对应增益下降3 dB处的2个频率值，分别可得其下限频率为fL=472.638 Hz和上限频率fH=1.298 MHz。
　　图8 电路的辐频特性虽然Multisim 7软件在电路的设计和分析过程中，产生了非常积极的作用，但是应该看到该仿真软件，毕竟是一个虚拟的电子实验室。该实验室里的各种虚拟元器件、仪器仪表，与现实存在着的真实的硬件仪器仪表之间存在着很大的区别。有些基本的实验操作方法，操作技能只能通过实际的操作过程才能学到和领悟到，所以硬件的实验过程也是不可缺少的。
　　
　　3 硬件仪器的实验过程
　　
　　当采用硬件的仪器仪表来完成同样的实验内容时，发现在实验过程中，存在着诸多的问题，主要表现在以下几方面：
　　(1) 线路的连接问题：元器件的放置方向错误，例如电容、三极管等；电路中存在着短路与断路的问题；
　　(2) 实验过程中，万用电表保险丝的损坏情况比较严重；
　　(3) 当采用硬件的仪器仪表来测试电路的频率特性时，发现该测试的过程是非常困难的，其主要原因在于仪器自身的问题，因为用函数信号发生器来调节其输出频率时，发现其幅度也跟随着发生了变化，这便导致单纯通过观察输入和输出波形来分析其频率特性的方法是错误的。
　　
　　4 结 语
　　
　　运用Multisim 7软件进行仿真设计，不仅可以提高模拟实验教学的质量以及学生们的实验兴趣；同时还能解决传统实验教学中存在着的设备紧张、仪器陈旧等问题；同时对于开发学生的学习潜能、拓展设计内容和思维空间有着很大的帮助。但由于虚拟器件存在着虚拟的特点，在真实性方面与实际的硬件仪器仪表存在着比较大的差距，并不能完全替代传统的实验手段。所以在实际的模拟实验教学过程中，只有要把硬件的仪器仪表和Multisim 7仿真软件结合起来，把现代化手段与传统实验有机的结合起来，发挥各自的优势，才能收到事半功倍的效果。
　　
　　参 考 文 献
　　［1］熊伟,侯传教,梁青,等.Multisim 7 电路设计及仿真应用［M］.北京:清华大学出版社，2005.
　　［2］李冬生.EDA仿真与虚拟仪器技术［M］.北京：高等教育出版社,2004.
　　［3］焦俊生.EDA技术在数字电子课程教学中的应用\.现代电子技术,2007,30(10):168169,173.
　　
　　作者简介 张伟珊 女，1965年出生，1989年毕业于广东省广州师范学院物理系（本科、理学学士）。现在广东省清远职业技术学院任教,副教授。 主要从事物理、电子技术、电力电子技术的教学科研工作。
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文