模拟电路-Multisim软件仿真教程

第13章Multisim模拟电路仿真本章Multisim10电路仿真软件，本章节讲解使用Multisim进行模拟电路仿真的基本方法。目录1.Multisim软件入门2.二极管电路3.基本放大电路4.差分放大电路5.负反馈放大电路6.集成运放信号运算和处理电路7.互补对称（OCL）功率放大电路8.信号产生和转换电路9.可调式三端集成直流稳压电源电路13.1Multisim用户界面及基本操作13.1.1Multisim用户界面在众多的EDA仿真软件中，Multisim软件界面友好、功能强大、易学易用，受到电类设计开发人员的青睐。Multisim用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件。Multisim来源于加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnologies，简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，原名EWB。IIT公司于1988年推出一个用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件ElectronicsWorkBench（电子工作台，简称EWB），以界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用而得到迅速推广使用。1996年IIT推出了EWB5.0版本，在EWB5.x版本之后，从EWB6.0版本开始，IIT对EWB进行了较大变动，名称改为Multisim（多功能仿真软件）。IIT后被美国国家仪器（NI，NationalInstruments）公司收购，软件更名为NIMultisim，Multisim经历了多个版本的升级，已经有Multisim2001、Multisim7、Multisim8、Multisim9、Multisim10等版本，9版本之后增加了单片机和LabVIEW虚拟仪器的仿真和应用。下面以Multisim10为例介绍其基本操作。图13.1-1是Multisim10的用户界面，包括菜单栏、标准工具栏、主工具栏、虚拟仪器工具栏、元器件工具栏、仿真按钮、状态栏、电路图编辑区等组成部分。图13.1-1Multisim10用户界面菜单栏与Windows应用程序相似，如图13.1-2所示。图13.1-2Multisim菜单栏其中，Options菜单下的GlobalPreferences和SheetProperties可进行个性化界面设置，Multisim10提供两套电气元器件符号标准：ANSI：美国国家标准学会，美国标准，默认为该标准，本章采用默认设置；DIN：德国国家标准学会，欧洲标准，与中国符号标准一致。工具栏是标准的Windows应用程序风格。标准工具栏：视图工具栏：图13.1-3是主工具栏及按钮名称，图13.1-4是元器件工具栏及按钮名称，图13.1-5是虚拟仪器工具栏及仪器名称。图13.1-3Multisim主工具栏图13.1-4Multisim元器件工具栏图13.1-5Multisim虚拟仪器工具栏项目管理器位于Multisim10工作界面的左半部分，电路以分层的形式展示，主要用于层次电路的显示，3个标签为：Hierarchy：对不同电路的分层显示，单击“新建”按钮将生成Circuit2电路；Visibility：设置是否显示电路的各种参数标识，如集成电路的引脚名；ProjectView：显示同一电路的不同页。13.1.2Multisim仿真基本操作Multisim10仿真的基本步骤为：1.建立电路文件2.放置元器件和仪表3.元器件编辑4.连线和进一步调整5.电路仿真6.输出分析结果具体方式如下：1.建立电路文件具体建立电路文件的方法有：打开Multisim10时自动打开空白电路文件Circuit1，保存时可以重新命名菜单File/New工具栏New按钮快捷键Ctrl+N2.放置元器件和仪表Multisim10的元件数据库有：主元件库（MasterDatabase），用户元件库（UserDatabase），合作元件库（CorporateDatabase），后两个库由用户或合作人创建，新安装的Multisim10中这两个数据库是空的。放置元器件的方法有：菜单PlaceComponent元件工具栏：Place/Component在绘图区右击，利用弹出菜单放置快捷键Ctrl+W放置仪表可以点击虚拟仪器工具栏相应按钮，或者使用菜单方式。以晶体管单管共射放大电路放置+12V电源为例，点击元器件工具栏放置电源按钮（PlaceSource），得到如图13.1-6所示界面。图13.1-6放置电源修改电压值为12V，如图13.1-7所示。图13.1-7修改电压源的电压值同理，放置接地端和电阻，如图13.1-8所示。图13.1-8放置接地端（左图）和电阻（右图）图13.1-9为放置了元器件和仪器仪表的效果图，其中左下角是函数信号发生器，右上角是双通道示波器。图13.1-9放置元器件和仪器仪表3.元器件编辑（1）元器件参数设置双击元器件，弹出相关对话框，选项卡包括：Label：标签，Refdes编号，由系统自动分配，可以修改，但须保证编号唯一性Display：显示Value：数值Fault：故障设置，Leakage漏电；Short短路；Open开路；None无故障（默认）Pins：引脚，各引脚编号、类型、电气状态（2）元器件向导（ComponentWizard）对特殊要求，可以用元器件向导编辑自己的元器件，一般是在已有元器件基础上进行编辑和修改。方法是：打开菜单Tools/ComponentWizard，按照规定步骤编辑，用元器件向导编辑生成的元器件放置在UserDatabase（用户数据库）中。4.连线和进一步调整连线：（1）自动连线：单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形，移动鼠标至目标引脚或导线，单击，则连线完成，当导线连接后呈现丁字交叉时，系统自动在交叉点放节点（Junction）；（2）手动连线：单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形后，在需要拐弯处单击，可以固定连线的拐弯点，从而设定连线路径；（3）关于交叉点，Multisim10默认丁字交叉为导通，十字交叉为不导通，对于十字交叉而希望导通的情况，可以分段连线，即先连接起点到交叉点，然后连接交叉点到终点；也可以在已有连线上增加一个节点（Junction），从该节点引出新的连线，添加节点可以使用菜单Place/Junction，或者使用快捷键Ctrl+J。进一步调整：（1）调整位置：单击选定元件，移动至合适位置；（2）改变标号：双击进入属性对话框更改；（3）显示节点编号以方便仿真结果输出：菜单Options/SheetProperties/Circuit/NetNames，选择ShowAll；（4）导线和节点删除：右击/Delete，或者点击选中，按键盘Delete键。图13.1-10是连线和调整后的电路图，图13.1-11是显示节点编号后的电路图。图13.1-10连线和调整后的电路图（a）显示节点编号对话框（b）显示节点编号后的电路图图13.1-11电路图的节点编号显示5.电路仿真基本方法：按下仿真开关，电路开始工作，Multisim界面的状态栏右端出现仿真状态指示；双击虚拟仪器，进行仪器设置，获得仿真结果图13.1-12是示波器界面，双击示波器，进行仪器设置，可以点击Reverse按钮将其背景反色，使用两个测量标尺，显示区给出对应时间及该时间的电压波形幅值，也可以用测量标尺测量信号周期。图13.1-12示波器界面（右图为点击Reverse按钮将背景反色）6.输出分析结果使用菜单命令Simulate/Analyses，以上述单管共射放大电路的静态工作点分析为例，步骤如下：菜单Simulate/Analyses/DCOperatingPoint选择输出节点1、4、5，点击ADD、Simulate图13.1-13静态工作点分析13.2二极管及三极管电路13.2.1二极管参数测试仿真实验半导体二极管是由PN结构成的一种非线性元件。典型的二极管伏安特性曲线可分为4个区：死区、正向导通区、反向截止区、反向击穿区，二极管具有单向导电性、稳压特性，利用这些特性可以构成整流、限幅、钳位、稳压等功能电路。半导体二极管正向特性参数测试电路如图13.2-1所示。表13.2-1是正向测试的数据，从仿真数据可以看出：二极管电阻值dr不是固定值，当二极管两端正向电压小，处于“死区”，正向电阻很大、正向电流很小，当二极管两端正向电压超过死区电压，正向电流急剧增加，正向电阻也迅速减小，处于“正向导通区”。图13.2-1二极管正向特性测试电路表13.2-1二极管正向特性仿真测试数据Rw10%20%30%50%70%90%Vd/mV299496544583613660Id/mA0.0040.2480.6841.5292.8607.286rd=Vd/Id（欧姆）74750200079538121490.58半导体二极管反向特性参数测试电路如图13.2-2所示。图13.2-2二极管反向特性测试电路表13.2-2是反向测试的数据，从仿真数据可以看出：二极管反向电阻较大，而正向电阻小，故具有单向特性。反向电压超过一定数值（VBR），进入“反向击穿区”，反向电压的微小增大会导致反向电流急剧增加。表13.2-2二极管反向特性仿真测试数据Rw10%30%50%80%90%100%Vd/mV100003000049993799828018080327Id/mA00.0040.0070.04335197rd=Vd/Id（欧姆）∞7.5E67.1E61.8E62290.9407.813.2.2二极管电路分析仿真实验二极管是非线性器件，引入线性电路模型可使分析更简单。有两种线性模型：（1）大信号状态下的理想二极管模型，理想二极管相当于一个理想开关；（2）正向压降与外加电压相比不可忽略，且正向电阻与外接电阻相比可以忽略时的恒压源模型，即一个恒压源与一个理想二极管串联。图13.2-3是二极管实验电路，由图中的电压表可以读出：二极管导通电压Von=0.617V;输出电压Vo=-2.617V。图13.2-3二极管实验电路（二极管为IN4148）利用二极管的单向导电性、正向导通后其压降基本恒定的特性，可实现对输入信号的限幅，图13.2-4（a）是二极管双向限幅实验电路。V1和V2是两个电压源，根据电路图，上限幅值为：V1+Von，下限幅值为：–V2–Von。在Vi的正半周，当输入信号幅值小于（V1+Von）时，D1、D2均截止，故Vo=Vi；当Vi大于（V1+Von）时，D1导通、D2截止，Vo=V1+Von≈4.65V；在Vi的负半周，当|Vi|V2+Von时，D1、D2均截止，Vo=Vi；当|Vi|（V2+Von）时，D2导通、D1截止，Vo=-（V2+Von）≈-2.65V。图13.2-4（b）是二极管双向限幅实验电路的仿真结果，输出电压波形与理论分析基本一致。（a）二极管双向限幅仿真电路（b）输出电压波形图13.2-4二极管双向限幅实验电路13.2.3三极管特性测试选择虚拟晶体管特性测试仪（IV-Analysis）XIV1，双击该图标，弹出测试仪界面，进行相应设置，如图13.2-5所示，点击Sim_Param按钮，设置集射极电压ceV的起始范围、基极电流bI的起始范围，以及基极电流增加步数Num_Steps（对应特性曲线的根数），单击仿真按钮，得到一簇三极管输出特性曲线。右击其中的一条曲线，选择showselectmarts，则选中了某一条特性曲线，移动测试标尺，则在仪器界面下部可以显示对应的基极电流bI、集射极电压ceV、集电极电流cI。根据测得的bI和cI值，可以计算出该工作点处的直流电流放大倍数，根据测得的bI和cI，可以计算出交流电流放大倍数。图13.2-5用晶体管特性测试仪测量三极管特性13.3单管基本放大电路13.3.1共射放大电路仿真实验放大是对模拟信号最基本的处理，图13.3-1是单管共射放大电路（NPN型三极管）的仿真电路图。图13.3-1单管共射放大电路（NPN