摘 要:隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，電路設(shè)計(jì)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的輔助分析和仿真技術(shù)來(lái)完成。Multisim軟件以其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動(dòng)直觀性，為電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)。以Multisim 10軟件在模擬電路實(shí)驗(yàn)應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了“單管放大電路”的創(chuàng)建、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的分析與仿真。通過(guò)分析仿真結(jié)果，使讀者深刻理解相應(yīng)的模擬電路知識(shí)，提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞:放大電路; EDA; 靜態(tài)分析; 動(dòng)態(tài)分析

中圖分類號(hào):TN919; TP316文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0192-05

Application of Multisim 10 Software in Experiment of Analog Circuits

ZHU Hua-guang

(Zhejiang Traffic Technician College，Jinhua 321015， China)

Abstract:

The circuit design can be completed by computer-assisted analysis and emulation technique with the development of EDA technology. Multisim is a perfect software for experiment teaching of the electronic major since it contains the strong real-time interaction， information integration and the vivid intuition. Taking Multisim 10 software as an example in the analogous circuit experiment， the establishment of single amplifying circuit， the static/dynamic analysis and emulation are introduced. The relevant knowledge of analogous circuits is passed on to the readers through analyzing the emulation results to improve their capability of solving the problems.

Keywords: amplifying circuit; EDA; static analysis; dynamic analysis

收稿日期:2010-03-22

模擬電路實(shí)驗(yàn)課是通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，培養(yǎng)學(xué)生在模擬電路方面使用電子儀器、設(shè)計(jì)及調(diào)試電路等方面的實(shí)際動(dòng)手能力。由于傳統(tǒng)方法受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地和時(shí)間限制，同時(shí)還存在著教學(xué)理念陳舊，實(shí)驗(yàn)效率低等問(wèn)題，所以計(jì)算機(jī)的輔助分析及仿真技術(shù)在電子實(shí)驗(yàn)運(yùn)用中得到了廣泛的應(yīng)用。Multisim有一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境，具有直觀的圖形界面，龐大的元器件庫(kù)，強(qiáng)大的仿真能力和分析功能，完善的虛擬儀器功能，從而成為各類學(xué)校電工、電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首選工具軟件。

1 建立仿真電路

在Multisim 10電路窗口中建立如圖1所示單管放大器仿真電路[1]。設(shè)置信號(hào)源“XFG1”幅度為10 mV，頻率為1 kHz的正弦波信號(hào)，開(kāi)關(guān)K1，K2設(shè)為閉合，K3設(shè)為打開(kāi)狀態(tài)，Rw可調(diào)電位器取值為50%。

2 靜態(tài)分析

當(dāng)輸入信號(hào)ui=0，確定靜態(tài)工作點(diǎn)，求解電路中有關(guān)的電流、電壓值等[2]。

圖1 單管放大器仿真電路

2.1 萬(wàn)用表測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)

設(shè)置信號(hào)源輸出為0 V，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，分別讀出萬(wàn)用表“XMM1”，“XMM2”和“XMM3”的電壓值，UB=229 V，URC=3314 V，UCE=7018 V，如圖2所示。讀出測(cè)量值并計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn):ICQ=1.105mA，UCEQ=7018 V。

2.2 直流工作點(diǎn)分析

直流工作點(diǎn)分析也是確定靜態(tài)工作點(diǎn)的一種方法。選擇Simulate菜單中的Analyses-DC Operating point Analysis進(jìn)入設(shè)置，在設(shè)置“Output”項(xiàng)中選擇V(2)，V(3)和V(4)為輸出項(xiàng)，如圖3所示。單擊“Simulate”按鈕，顯示如圖4所示的輸出電壓值。

圖2 讀出萬(wàn)用表電壓值

圖3 Output選擇界面

圖4 輸出電壓值

2.3 溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響

溫度掃描分析方法是分析溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響[3]。設(shè)置信號(hào)源輸出為10 mV，1 kHz的正弦波信號(hào)，選擇“Simulate”菜單中的“Temperature Sweep Analysis”進(jìn)入設(shè)置，在“Analysis Parameters”選項(xiàng)中進(jìn)行起始、終止溫度的設(shè)置，如圖5所示，并單擊“Edit Analysis”按鈕，設(shè)置開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，然后設(shè)定“Output”V(4)為輸出項(xiàng)，再進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示，輸出電壓V(4)隨溫度升高而下降。

2.4 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置對(duì)輸出波形的影響[2]

建立如圖7所示仿真電路。選擇“Simulate”菜單中的“DC Sweep Analysis”進(jìn)入設(shè)置，在“Analysis Parameters”選項(xiàng)中，“Source 1”設(shè)置為電壓源，并修改起始、終止和增加電壓值?！癝ource 2”設(shè)置為電流源，若電流源沒(méi)有顯示，可按下“Change Filer”按鈕，選中“Display submodules”選項(xiàng)。這時(shí)修改起始、終止和增加電流值，如圖8所示?！癘utput”選項(xiàng)中選擇輸出電流IC，若沒(méi)有顯示可按“Add device/model parameter”按鈕，在彈出對(duì)話框中的“Parameter”下拉菜單中查找。如圖9所示。

圖5 起始、終止溫度設(shè)置界面

圖6 仿真結(jié)果

圖7 仿真電路圖

最后進(jìn)行仿真，當(dāng)負(fù)載電阻為3 kΩ時(shí)，輸出特性曲線作交流負(fù)載線[2]，估算出Q點(diǎn)的位置，如圖10所示。當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，Q點(diǎn)取的過(guò)高，容易產(chǎn)生飽和失真，反之，產(chǎn)生截止失真。

圖8 修改起始、終止和增加電壓值

圖9 輸出電流選擇界面

圖10 仿真中Q點(diǎn)位置

3 動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析的任務(wù)是計(jì)算輸入、輸出電阻、電壓放大倍數(shù)、最大不失真輸出電壓和幅頻特性等[4]。

3.1 輸入電阻測(cè)量

建立如圖11所示仿真電路。打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，雙擊“XMM1”和“XMM4”兩萬(wàn)用表，并將它們切換在交流電壓檔上，再雙擊“XFG1”函數(shù)信號(hào)發(fā)生器圖標(biāo)，逐步加大信號(hào)幅度，使“XMM1”萬(wàn)用表顯示約10 mV左右，再讀出“XMM4”的電壓值，如圖12所示。輸入電阻(單位:kΩ):

Ri=UiIi=UiUs-UiR1=

10.10822.627-10.108×4.7≈3.78

3.2 輸出電阻測(cè)量

仿真電路如圖11所示，雙擊“XFG1”函數(shù)信號(hào)發(fā)生器圖標(biāo)，將信號(hào)幅度調(diào)整為10 mV。開(kāi)關(guān)K3為斷開(kāi)狀態(tài)(不帶負(fù)載電阻RL)，雙擊“XSC1”示波器，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，讀出輸出電壓約888.7 mV，如圖13所示。按下“L”鍵，開(kāi)關(guān)K3閉合(接入負(fù)載電阻RL)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，讀出輸出電壓約707.0 mV，如圖14所示。輸出電阻(單位:kΩ):

Ro=UoUL-1RL=888.7707.0-1×10=2.57

圖11 輸入/輸出電阻測(cè)量電路

圖12 XMM1和XMM4電壓值的讀取

3.3 電壓放大倍數(shù)

建立如圖1所示仿真電路，調(diào)整信號(hào)源輸出10 mV，1 kHz的正弦波信號(hào)。

3.3.1 不帶負(fù)載電阻RL

開(kāi)關(guān)K3處于打開(kāi)狀態(tài)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，讀出如圖15所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=931.29 mV，Ui=9.99 mV，則電壓放大倍數(shù)AU=93.2。

3.3.2 帶負(fù)載電阻RL

開(kāi)關(guān)K3處于閉合狀態(tài)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，讀出如圖16所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=706.93 mV，Ui=9.99 mV ，則電壓放大倍數(shù)AU=70.8。

圖13 輸出電壓(一)

圖14 輸出電壓(二)

圖15 輸入和輸出電壓峰值(一)

3.3.3 帶負(fù)載電阻RL并考慮信號(hào)源內(nèi)阻

開(kāi)關(guān)K3處于閉合、K1處于打開(kāi)狀態(tài)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，讀出如圖17所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=572.56 mV，Ui=9.99 mV，則電壓放大倍數(shù)AU=57.31。

3.4 最大不失真輸出電壓

為了獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在交流負(fù)載線的中點(diǎn)[2]，在放大器正常工作的情況下，逐步增大輸入信號(hào)的幅度，并同時(shí)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，用示波器觀察Uo，當(dāng)輸出波形同時(shí)出現(xiàn)失真現(xiàn)象時(shí)，說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)已調(diào)在交流負(fù)載線中點(diǎn)，然且調(diào)整輸入信號(hào)，使輸出幅度最大，且無(wú)明顯失真時(shí)，測(cè)出Uo的同時(shí)求出最大不失真輸出電壓Uopp。

圖16 輸入和輸出電壓峰值(二)

圖17 輸入和輸出電壓峰值(三)

連接如圖1所示的仿真電路，將K3閉合處于狀態(tài)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，反復(fù)調(diào)整Rw和信號(hào)源“XFG1”輸出信號(hào)大小，使得輸出電壓最大且沒(méi)有明顯失真，讀出Rw約處于23%，信號(hào)源輸出電壓20 mV最大不失真輸出電壓如圖18所示，Uopp≈3.9 V。

圖18 最大不失真輸出電壓

3.5 放大器的幅頻率特性

3.5.1 頻率特性

放大器的頻率特性[5]是指放大器的電壓放大倍數(shù)AU與輸入信號(hào)頻率f之間的關(guān)系曲線。分為下限頻率fl、上限頻率fh和通頻帶fbw 。

3.5.2 幅頻特性曲線的測(cè)量

建立如圖19所示仿真電路，調(diào)整信號(hào)源輸出10 mV，1 kHz的正弦波信號(hào)。雙擊波特圖儀“XBP1”[6]。打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，如圖20所示，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，讀出上限頻率fh=17.37 MHz，下限頻率fl=158 Hz，計(jì)算出通頻帶fbw=17.37 MHz。

圖19 幅頻特性測(cè)量電路

圖20 XBP1仿真結(jié)果

當(dāng)把耦合電容C1，C2和旁路電容Ce都改為1 μF時(shí)，低頻區(qū)電壓放大倍數(shù)急劇下降，下限頻率fl=7.59 kHz，通頻帶fbw減小明顯，如圖21所示。

如果要獲得較寬的通頻帶，可采用深度負(fù)反饋放大電路[3]，將圖19中的K1打開(kāi)，旁路電容失效，幅頻特性曲線如圖22所示，但損失了可貴的電壓放大倍數(shù)。

圖21 改變C1，C2，Ce后的仿真結(jié)果

圖22 深度負(fù)反饋放大電路仿真結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

放大電路中的“最大不失真輸出電壓”和“放大器的幅頻率特性”兩個(gè)概念在理論課中是比較難理解的兩個(gè)內(nèi)容，通過(guò)Multisim 10軟件仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苤庇^反映其結(jié)果，正確理解基本概念。通過(guò)軟件的運(yùn)用，使學(xué)生了解和掌握更多電子系統(tǒng)應(yīng)用的概念、知識(shí)和技術(shù)。建立起以應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目標(biāo)的學(xué)習(xí)觀念。

參考文獻(xiàn)

[1]唐贛，吳翔，蘇建峰.Multisim 10 Ultiboard 10原理圖仿真與PCB設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[2]高衛(wèi)斌.電子線路[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[3]秦世才，賈香鸞.模擬電路基礎(chǔ)[M].天津:南開(kāi)大學(xué)出版社，1998.

[4]荊西京.模擬電子電路實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].西安:第四軍醫(yī)大學(xué)出版社，168-172.

[5]顧江，魯宏.電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[J].南京:東南大學(xué)出版社，2008.

[6]熊偉，侯傳教，梁青，等.Multisim 7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.