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        Multisim 仿真軟件在電子設(shè)計(jì)改革中的應(yīng)用

        2015-05-26 10:05:28王曉明沈明新
        中國(guó)教育技術(shù)裝備 2015年22期
        關(guān)鍵詞:時(shí)間常數(shù)觸發(fā)器低電平

        ◆王曉明 沈明新

        作者:王曉明,遼寧科技大學(xué)電子與信息學(xué)院高級(jí)工程師,研究方向控制理論與控制工程;沈明新,遼寧科技大學(xué)電子與信息學(xué)院副教授,研究方向控制理論與控制工程(114044)。

        1 引言

        Multisim 軟件是一種功能強(qiáng)大且易于使用的電子電路仿真軟件。該軟件可以對(duì)電路進(jìn)行各種分析,如直流工作點(diǎn)分析、交流特性分析、傅立葉分析、失真度分析、暫態(tài)分析、噪聲分析、靈敏度分析、零與極點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、最壞情況分析;可以進(jìn)行直流掃描、溫度掃描、參數(shù)掃描;可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、模擬/數(shù)字混合電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。它克服了傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)工作條件的限制及實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境制約,為用戶提供了一個(gè)良好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,從建立電路開(kāi)始到仿真分析及結(jié)果輸出,都可以在電腦上獨(dú)立完成,仿真手段完全模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,電子元器件和實(shí)驗(yàn)儀器的選用與實(shí)際情況基本相近,并且界面直觀、可視[1-3]。在繪制電路圖時(shí),Multisim 所需的電子元器件、儀器儀表等都是以圖標(biāo)的形式出現(xiàn),選取及使用非常方便,自己還可以建立并擴(kuò)充元器件。對(duì)電路可以設(shè)置一定故障,如開(kāi)路、短路及漏電等,對(duì)不同電路的故障狀態(tài)進(jìn)行仿真并觀察分析,從而加深對(duì)電路原理的理解。

        利用Multisim 電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行,在設(shè)計(jì)電路時(shí)修改調(diào)試非常方便。仿真軟件最大的好處就是在做實(shí)驗(yàn)時(shí)不消耗實(shí)際的電子元器件及電子儀器,實(shí)驗(yàn)成本低、效率高、速度快。這樣就可以把成功的仿真實(shí)驗(yàn)電路直接變成產(chǎn)品使用,大大縮短開(kāi)發(fā)的時(shí)間及周期[4-6]。

        2 Multisim 在電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

        例1:反相輸入全波精密整流電路設(shè)計(jì)與仿真 在半波精密整流電路的基礎(chǔ)上,增加一個(gè)加法器,讓輸入信號(hào)的另一個(gè)極性電壓不經(jīng)整流,直接送到加法器,與來(lái)自整流電路的輸出電壓相加,便構(gòu)成全波精密整流電路[7],如圖1 所示。

        當(dāng)輸入電壓ui為負(fù)半周時(shí),運(yùn)算放大電路U1輸出電壓U01>0,D2導(dǎo)通,D1截止,半波精密整流輸出電壓u01=0,加法器輸出電壓為:

        當(dāng)輸入電壓ui為正半周時(shí),運(yùn)算放大器U1輸出電壓U01<0,D2截止,D1導(dǎo)通,運(yùn)放U1這時(shí)變?yōu)榘氩ň苷麟娐?,其輸出電壓為?/p>

        加法器輸出電壓為:

        若取R1=R2=R6=R7=2R4,測(cè)u0=|ui|理論上全波整流電路輸出電壓的平均值U0=0.9UI(UI為輸入電壓ui的有效期)。接在輸出端的電壓表的讀數(shù)為輸出電壓的平均值,如圖2 所示。

        例2:占空比可調(diào)的方波、鋸齒波發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)與仿真 圖3 為占空比可調(diào)的方波、鋸齒波發(fā)生器電路,它由同相輸入遲滯比較器電路和充放電時(shí)間常數(shù)可調(diào)的積分電路兩部分組成。

        該電路與三角波電路相比多了兩個(gè)二極管和一個(gè)可變電阻,通過(guò)接入D3、D4兩個(gè)二極管和可變電阻RP,改變?nèi)遣ǖ陌l(fā)生器電路的充電和放電時(shí)間常數(shù),就可以調(diào)節(jié)波形的占空比,以實(shí)現(xiàn)T2≠T1(T1為鋸齒波下降時(shí)間,T2為鋸齒波上升時(shí)間)。T2時(shí)間段的積分時(shí)間常數(shù)為(R5上+RD1)C1,T1時(shí)間段的積分時(shí)間常數(shù)為(R5下+RD2)C(RD1和RD2為二極管D3和D4導(dǎo)通電阻)。若忽略D3、D4導(dǎo)通電阻,則有:

        則周期為:

        調(diào)節(jié)R5只會(huì)改變波形的占空比,但其周期不會(huì)改變,如圖4 所示。

        例3:觸摸式延時(shí)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與仿真 生活中經(jīng)常需要延時(shí)控制,如過(guò)道燈、樓梯燈等的控制,即實(shí)用方便,又節(jié)約能源。如圖5 所示是多用途延時(shí)開(kāi)關(guān)的典型電路,555 定時(shí)器和R2、C1、C2組成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。通常開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)端TRI 接高電平,觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài),輸出端為低電平,三極管也處于截止?fàn)顟B(tài),繼電器斷開(kāi),燈泡不亮。當(dāng)觸摸開(kāi)關(guān)被按下時(shí),TRI 端接地,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),輸出端輸出高電平,三級(jí)管導(dǎo)通,繼電器通電吸合,控制觸點(diǎn)閉合使燈泡得電而發(fā)光。暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間由R2和C1決定,即t=1.1R2C1;經(jīng)過(guò)暫穩(wěn)態(tài)觸后,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài),燈泡自動(dòng)熄滅[8]。

        例4:四路搶答器電路設(shè)計(jì)與仿真 如圖6 所示為四路搶答器電路圖,該電路由4D 觸發(fā)器74LS20、與非門74LS175 和555 定時(shí)器等組成。S1、S2、S3、S4為搶答器按鈕,開(kāi)關(guān)為動(dòng)合型,按下開(kāi)關(guān)時(shí),開(kāi)關(guān)閉合;松開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí),觸電斷開(kāi)。74LS175 是4D 觸發(fā)器,其內(nèi)部有四個(gè)獨(dú)立的D 觸發(fā)器,四個(gè)觸發(fā)器的輸入端分別為D1、D2、D3、D4,輸出端為CLK 是四個(gè)D 觸發(fā)器的共同的時(shí)鐘端,CLR 為共同的清除端,當(dāng)CLR 為0 時(shí),Q1、Q2、Q3、Q4立即為0,搶答器工作時(shí),CLR 置于高電平,555定時(shí)器在這里作為多諧振蕩器,為D 觸發(fā)器提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。

        工作時(shí)若無(wú)人搶答,即S1、S2、S3、S4未被按下,D1、D2、D3、D4均為低電平,在555 定時(shí)器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖作用下,Q1、Q2、Q3、Q4均為低電平,所以發(fā)光二極管不亮,與非門74LS20 輸出為低電平,蜂鳴器不響。

        若有人搶答,假設(shè)S1按鈕首先被按下,D1變?yōu)楦唠娖?,在時(shí)鐘脈沖作用下,Q1立即變?yōu)楦唠娖?,?duì)應(yīng)的發(fā)光二極管立刻點(diǎn)亮,同時(shí)由于Q1=0,74LS20 輸出高電平,蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲。74LS20 的輸出經(jīng)74LS00 反相后變?yōu)?,將555 定時(shí)器的時(shí)鐘脈沖信號(hào)封鎖住,造成其他搶答者即使按下按鈕,74LS175 因無(wú)時(shí)鐘脈沖信號(hào),輸出端電平不會(huì)跟隨輸入端電平發(fā)生變化,Q1的高電平狀態(tài)一直不變,從而保證S1搶答成功。在進(jìn)行第二次搶答前,則由主持人按下清除按鈕,使Q1、Q2、Q3、Q4全部恢復(fù)為0,為下一次搶答做好準(zhǔn)備。

        3 結(jié)論

        在計(jì)算機(jī)上用Multisim 搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可以輕松方便地構(gòu)建各種電路,并對(duì)電路進(jìn)行仿真與測(cè)試,具有投資少、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、現(xiàn)象直觀、結(jié)果精確、圖像精彩等特點(diǎn)。這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是一種很好的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段,為學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。在更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、提高電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量等方面,Multisim 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立對(duì)改革電子技術(shù)領(lǐng)域起著非常重要的作用。

        [1]白菊蓉,張寶軍.Multisim 應(yīng)用于電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2006,11(1):123-125.

        [2]張俊濤,陳曉莉.電路仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(6):83-85.

        [3]黃培根,任清褒.Multisim 10 計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

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        [5]張俊濤,陳曉莉.電路仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(6):83-85.

        [6]余群.Multisim 進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)的教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2007(10):118-120.

        [7]李學(xué)明,許燕萍,徐禮明,等.模擬電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

        [8]李學(xué)明,孫東衛(wèi),高為將,等.數(shù)字電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

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