狄 京，許燕青，周一恒，馬草原

(中國礦業(yè)大學 信電學院，江蘇 徐州 221116)

基于Multisim的現(xiàn)代電子設計技術

狄 京，許燕青，周一恒，馬草原

(中國礦業(yè)大學 信電學院，江蘇 徐州 221116)

利用現(xiàn)代電子設計工具Multisim軟件的仿真和分析功能， 把課堂教學、實踐教學與科學研究有機結合起來，使學生在充分掌握課堂理論知識的基礎上，了解和掌握先進的科學研究方法和設計技術，對培養(yǎng)具有分析問題能力、工程實踐能力及創(chuàng)新意識的高級技術人才有著重要的意義。

現(xiàn)代電子；設計技術；Multisim軟件；仿真

模擬電子技術課程一直由理論教學、實驗教學和課程設計等環(huán)節(jié)構成，而科學技術的研究方法涉及很少。隨著科學技術的不斷發(fā)展，高新技術不斷涌現(xiàn)，模擬電子技術課程的教學已不再是僅僅要求學生掌握電子線路的基本理論和計算方法，更重要的是培養(yǎng)學生對電子線路的設計、分析和創(chuàng)新。因此，作為模擬電子技術課程教學中十分重要的實驗教學，要與時俱進地跟上電子技術的發(fā)展，要改進實驗內容、實驗方法和實驗手段，引入包括Multisim軟件在內的先進的現(xiàn)代電子設計工具，把課堂教學、實踐教學與科學研究有機地結合起來，使學生了解和掌握先進的科學研究方法和設計技術。這樣才能培養(yǎng)出符合社會需求并具有創(chuàng)新意識的高級人才[1]。

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司于2001年推出的專門用于電子電路仿真和設計的軟件。它以直觀的圖形界面、龐大的元器件庫、豐富的測試儀器、完備的分析手段和強大的仿真能力，提供了一個非常優(yōu)秀的電子技術設計工作平臺[2 ]。

1 Multisim在儀用放大器電路中的設計與分析

1.1 具有差動輸入前置放大級儀用放大電路的設計

在精密的數(shù)據采集場合，常常采用儀用放大器。儀用放大器是一種具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比的高增益、直流耦合放大器。與運算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐姆。運算放大器的閉環(huán)增益由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。而儀用放大器使用一個內部反饋電阻網絡，與其信號輸入端隔離。對儀用放大器的兩個差分輸入端施加輸入信號，其增益既可由內部預置，也可通過引腳連接一個內部或者外部增益電阻器設置，該增益電阻器也與信號輸入端隔離[3]。

對電子測量電路的儀用放大器，其輸入信號的最大幅度可能僅有幾毫伏，而共模噪聲電平可能高達幾伏，所以儀用放大器的輸入漂移、噪聲抑制和共模抑制比對放大器動態(tài)性能的影響至關重要。被測信號源的內阻無法控制，而信號內阻的變化可能使放大器的兩個輸入端分別到地的電阻失配(即不滿足平衡條件)。這種失配除了造成增益變化外，還可能導致共模抑制比下降。運算放大器搭建的具有差動輸入前置放大級儀用放大電路，如圖1所示。

圖1 差動輸入前置放大級儀用放大電路

電壓放大倍數(shù)Av由下式決定：

Av=((R3+2R1)/R3)(R2/R6)

式中：R1=R4；R2=R5；R6=R7。

補償差模輸入阻抗失配的有效方法是：提高放大器兩個輸入端的輸入阻抗。為了提高輸入阻抗和降低失調電壓漂移，圖1中A1和A2是差模輸入和差模輸出的交叉耦合前置放大器。若把A1和A2視為各自具有一定反饋電阻的同相比例運算電路，電路中R3為A1和A2的公用電阻且不接地。由于Al、A2工作于線性狀態(tài)，其同相、反相輸入端具有“虛短”特性，因此共模信號在R3兩端的電位相等，即R3上沒有共模電流，所以，A1和A2對共模信號的電壓放大倍數(shù)僅為+1。差模信號可在R3兩端產生壓降，其電壓放大倍數(shù)為l+2R1/R3(因R1=R4)。

由上述分析可知，該前置放大電路具有以下顯著特點：

1)前置放大電路對信噪比具有改善作用。因電路對差模信號具有較大的放大作用，其增益遠大于共模分量(噪聲)。

3)該前置放大級對共模輸入信號沒有放大作用，即對溫漂信號或噪聲沒有放大作用[5]。

1.2 儀用放大電路的仿真與分析

圖2是由Multisim創(chuàng)建的儀用放大器實驗仿真測試電路[6]。電路參數(shù)設定后，其電壓放大倍數(shù)由下式決定：

代入數(shù)值得到：Av=-41。

當輸入信號Vi=4 mV時，數(shù)字萬用表的讀數(shù)為-162.235 2 mV，這時電壓放大倍數(shù)Av為-40.558 8。

當調節(jié)電位器R3時，電壓放大倍數(shù)Av隨著改變。輸入為微變的交流信號時，用虛擬示波器可觀測輸入和輸出信號的波形，如圖3所示。

Multisim具有十幾種強大的分析功能。我們首先進行電路的基本分析——直流工作點分析(Dc operating point analysis)。

啟動Multisim，首先，將菜單Options(選項)中的sheet properlies(工作臺界面設置)打開，將電路的節(jié)點顯示在電路圖上；然后，在菜單simulate(仿真)analyses(分析)欄內選定Dc Operating Point Analysis(直流工作點分析)并打開。

圖2 儀用放大器仿真電路

圖3 儀用放大電路的輸入/輸出波形

由仿真分析結果可以看出，輸出電壓VO(V9)=-162.235 26 mV，輸入電壓Vi(V6-V7)=4 mV，得到電壓放大倍數(shù)Av=-40.558 8。

由以上測試可知，采用仿真分析功能，使學生對電路的分析更豐富直觀，其得出的結論更加滿足理論值論證和接近實踐性。

1.3 儀用放大電路的應用

儀用放大器在數(shù)據采集、醫(yī)用儀器、監(jiān)測和控制電子設備以及高速信號調理等科學技術研究領域都有著廣泛的應用。而儀用放大器的主要用途是放大噪聲環(huán)境中傳感器輸出的弱信號。對溫度傳感器或壓力傳感器信號的放大是常見的儀用放大器應用。

圖4是一個電橋前置電路，是一種典型的電阻型溫度檢測器(RTD)的溫度測量儀表放大器。

當電橋電阻器阻值R14(溫度傳感器)發(fā)生變化時，使電橋失去平衡并且在電橋兩端產生一個差分的電壓變化。該電橋的信號輸出就是差分電壓，將其直接連接到儀用放大器的輸入端。其主要作用是有效地抑制出現(xiàn)在電橋兩個輸出端的DC共模電壓，同時放大了非常微弱的電橋信號電壓。

圖4 溫度測量儀用放大器

利用Multisim的高級分析功能———溫度掃描分析(temperature sweep analysis)對電路進行溫度掃描分析。

先確定電路中需要分析的節(jié)點和元件，電路選擇電阻器R14，實際電路中為溫度傳感器。在菜單simulate(仿真)中analyses(分析)欄內選定 Temperature sweep(溫度掃描分析)并打開。修改對話框中的分析參數(shù)設置。Start(起始值)：27 ℃ ；Stop(終值)：40 ℃ ；Increment(增量)：0.5 ℃； 按“Simulate”鍵開始運行，觀察在不同溫度條件下溫度傳感器(電位器R14)每次取不同的溫度值的電路特性。

在溫度檢測儀用放大電路中，若需要對放大器的高輸入(輸出)阻抗及高共模抑制比進行分析測量，則采用Multisim的另一高級分析功能“傳遞函數(shù)分析”，對電路的輸入和輸出阻抗進行分析計算。

如果利用Multisim的統(tǒng)計分析方法(最壞情況分析)，可以使我們在模擬電路、直流和小信號電路的分析中觀察到在元件參數(shù)變化時，電路特性變化的最壞可能性，也就是在對電路的分析測試過程中所出現(xiàn)的故障進行最壞情況分析，進而解決工程實踐當中的實際問題。

在實際測試電路中，運放A1和A2的選取原則是：失調電壓小、漂移低和輸入偏流小，并要求A1、A2的參數(shù)匹配，以提高共模抑制比。后級運放A3的選擇應是：具有優(yōu)良的共模抑制性能，滿足輸出端的電流、電壓或功率的要求。

2 結束語

在對電路進行Multisim仿真分析時，其測試條件是理想化的，無任何干擾和限制。而電子技術設計過程的實際測試環(huán)境是錯綜復雜的，外界的干擾因素(如環(huán)境溫度、電磁場干擾等)，實際測試儀器(精確度、準確度和量程范圍等)的限制，都會對電路的實際性能指標及參數(shù)測試造成影響，使測量結果具有一定的誤差。所以，在對實際電子線路進行設計時，要綜合考慮具體性能指標及參數(shù)設置，使仿真效果盡量接近實際。在保證電路功能、性能的前提下，快速準確地進行電路性能分析和測試，提高設計效率和質量。實踐表明，把具有強大仿真分析功能的Multisim應用到教學和工程實踐當中， 效果是明顯的，不僅培養(yǎng)了學生的實踐能力，而且拓展了學生創(chuàng)新思維，有效地提高了學生對電子技術設計的認知能力。

[1]張偉珊. Multisim 7 在模擬電路實驗教學改革中的應用[J].現(xiàn)代電子設計技術，2008(16)：3-5.

[2]彭延峰，劉習春，彭志華.用Multisim 分析二階低通濾波器電路[J].現(xiàn)代電子技術，2008(17)：156-158.

[3]Charles Kitchin，Lew Counts.A design’s guide to instrumentation amplifiers[M].2nd ed.USA: Analog Devises，Inc., 2004.

[4] 耿素軍. 智能化傳感器中應用儀表放大器的電路設計[J]. 電氣電子教學學報， 2004， 26(4): 19-21.

[5]宋家友.集成電子線路設計手冊[M].福州：福建科學技術出版社，2002.

[6] 李忠坡.袁宏.電子設計與仿真技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

Modern Electronic Design Technology Based on Multisim

DI Jing, XU Yanqing, ZHOU Yiheng, MA Caoyuan

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper organically combines with classroom teaching, practical teaching and scientific research by using the simulation and analysis function of modern electronic design tools Multisim. It will help the students to know about and acquire advanced scientific research methods and design technology which on the basis of fully accessing to the theoretical knowledge. And it is quite significant for senior technical people to improve the parsing problem ability, engineering practice ability and innovation ability.

modern electronic; design technology; Multisim software; simulation

2014-06-23；修改日期: 2014-07-30

狄 京(1957-)，男，學士，高級實驗師，研究方向：模擬電子技術，電子工藝技術。

TP391.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.019