摘要：分析了Multisim和Matlab兩種計(jì)算機(jī)仿真軟件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了含運(yùn)算放大器的濾波電路實(shí)例，并對濾波電路進(jìn)行了仿真比較分析，說明了兩種計(jì)算機(jī)仿真軟件在電路教學(xué)與實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：Multisim；Matlab；電路仿真；濾波

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1006-8228[2011]08-22-02

引言

電路課程是計(jì)算機(jī)、電子信息工程、自動(dòng)化、通信等電類專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課程。通過本課程的教學(xué)，要使學(xué)生掌握電路的定理、電路的基本分析方法和初步的實(shí)驗(yàn)技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的電路知識(shí)。該課程特點(diǎn)是概念多、公式多，知識(shí)點(diǎn)繁雜，但近年來授課學(xué)時(shí)卻在不斷減少，使得教與學(xué)的難度增大。為了讓學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，我們在電路理論教學(xué)中組織學(xué)生成立了課外學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)仿真軟件小組，每個(gè)小組由組長帶領(lǐng)利用業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)，主要學(xué)習(xí)MathWorks公司的Matlab和Interactive Image Technologies(IIT)公司的Multisim軟件包，Altium公司的Potel軟件和MicroSim公司的Pspice，并由學(xué)生組織講座，主講計(jì)算機(jī)仿真軟件在電路中的應(yīng)用。這不僅使學(xué)生加深了對電路知識(shí)的理解，提高自學(xué)能力、組織能力，培養(yǎng)了工程實(shí)踐能力，而且為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，提高了教學(xué)質(zhì)量。

1、Multisim、Matlab兩種仿真軟件的特點(diǎn)

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim仿真功能十分強(qiáng)大，它的元器件豐富，其中真實(shí)元器件具有精確的仿真模型，在市場上有相應(yīng)的元器件出售。它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內(nèi)，用戶最容易掌握使用。

Matlab是美國MathWorks公司出品的集數(shù)值計(jì)算、符號運(yùn)算及圖形處理和虛擬實(shí)驗(yàn)等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)與工程計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和仿真軟件。它主要包括MATLAB和Simulink兩大部分，可實(shí)現(xiàn)電路的計(jì)算和仿真，即能通過計(jì)算機(jī)編程方法對人工建立的電路方程分析求解，也可利用Simulink組件，直接對電路建模、分析和計(jì)算。

2、Multisim MalIab仿真實(shí)例

集成運(yùn)放廣泛用于信號的處理電路中，其應(yīng)用首先表現(xiàn)在它能構(gòu)成各種運(yùn)算電路上。例如，將積分、微分、比例等基本運(yùn)算電路組合在一起，對電路自由設(shè)置傳遞函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的濾波功能。濾波又分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波。在傳統(tǒng)的教學(xué)中教師往往通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)來講授這些內(nèi)容，各種濾波波形也很難在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行顯示?，F(xiàn)以二階有源濾波電路為例，說明如何利用Multisim、Maflab等仿真軟件建立電路模型，改善教學(xué)效果。

濾波電路圖如圖1所示這是利用Multisim繪制的原理圖。

我們首先對圖1電路圖進(jìn)行定性分析：在U_i(s)作用下，以U_o1(s)為輸出的支路，因?yàn)榉答佂窞榉e分電路，所以它實(shí)現(xiàn)的是高通濾波；對于以U_o2(S)為輸出的支路，則因?yàn)樗窃诟咄V波的基礎(chǔ)上又經(jīng)過了低通濾波，所以實(shí)現(xiàn)的是帶通濾波；對于以U_o3(s)為輸出的支路，則因?yàn)樗窃趲V波的基礎(chǔ)上又經(jīng)過積分電路，所以實(shí)現(xiàn)的是低通濾波；對于以U_o4(s)為輸出的支路，則因?yàn)樗嵌A高通與低通濾波的求和運(yùn)算，所以實(shí)現(xiàn)的是帶阻濾波。

定量分析：利用四個(gè)集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)四種濾波功能，由電路基本理論我們可推得四個(gè)濾波器的傳遞函數(shù)分別為：

2.1 使用Multisim軟件進(jìn)行仿真

仿真的一般步驟是：首先繪制仿真電路原理圖，對元件設(shè)置屬性，設(shè)置仿真節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置仿真分析參數(shù)；然后運(yùn)行得到仿真結(jié)果，產(chǎn)生仿真信號數(shù)值和波形；分析仿真結(jié)果。

2.1.1 設(shè)置交流分析參數(shù)

進(jìn)行交流分析時(shí)，以正弦波為輸入信號。交流分析的結(jié)果，以幅頻特性和相頻特性兩個(gè)圖形顯示。執(zhí)行菜單命令Simulate／Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇ACAnalysis，則出現(xiàn)交流分析對話框，如圖2所示。主要設(shè)置參數(shù)有起始參數(shù)、截止參數(shù)、掃描類型等。

2.1.2 仿真結(jié)果

利用Multisim可以直接顯示出電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，圖3、4、5、6中幅頻特性曲線顯示了各電路輸出端的電壓隨頻率變化的曲線，由圖可知與定性分析相同。

2.2 Matlab仿真

利用Matlab軟件觀察四種濾波器的頻率響應(yīng)，仿真較為簡單，只采用Matlab語言編程。

2.2.1 建立各濾波器系統(tǒng)函數(shù)系數(shù)矩陣

U_i＝[10*(R*C)^2，2*R*C，1]；

U_o1=[-1*((R*C)^2)*10，0，0]；

U_o2=[0，10*R*C，0]；

U_o3=[0，0，-10]；

U_o4=[-1*10*((R*C)^2)，O，-10]

2.2.2 仿真波形

畫出頻率響應(yīng)曲線：plot(fk／1000，20*log10(abs(Hk))／max(abs(IIk)))；grid on經(jīng)過對圖7的分析可以發(fā)現(xiàn)，傳遞函數(shù)對應(yīng)高通濾波。因篇幅有限，利用Matlab仿真低通、帶通和帶阻的仿真波形就不一一列出了。

3、兩種電路仿真軟件的比較

通過濾波電路仿真實(shí)例的分析比較，我們認(rèn)為兩種軟件各有其仿真特色。主要為：

(1)Multisim的仿真軟件具有強(qiáng)大的元件庫和虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器與儀表，能直接建立電路原理圖，逼真再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可直接分析電路的內(nèi)部和外部特性，Multisim豐富的分析方法可以了解電路的狀況、分析電路的各種響應(yīng)，其分析精度和測量范圍比用實(shí)際儀器測量的精度高、范圍寬。Multisim軟件適合元件和電路仿真分析，可以作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

(2)Matlab運(yùn)用編程，且其運(yùn)行時(shí)將數(shù)據(jù)處理單元視作矩陣，增強(qiáng)了它的運(yùn)算功能。Matlab信號和數(shù)據(jù)處理及計(jì)算能力強(qiáng)。圖形可視化功能好，功能模塊豐富，用于系統(tǒng)仿真更方便一些，并且通過研究電路的外特性，可驗(yàn)證電路定理和定律。

4、結(jié)束語

將計(jì)算機(jī)軟件引入電路課程的教學(xué)實(shí)踐，因其仿真結(jié)果準(zhǔn)確、圖像直接等特點(diǎn)，極大豐富了教師的授課內(nèi)容。對各類典型的電路進(jìn)行仿真，可加深學(xué)生對知識(shí)的理解，也緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備少的問題；最重要的是激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和綜合素質(zhì)，有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人才。

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