2024年6月6日发(作者:)
Multisim模拟电路仿真
1 Multisim用户界面及基本操作
1.1 Multisim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(Interactive Image Technologies,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Electronics Work Bench(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,National Instruments)公司收购,软件更名为NI Multisim,Multisim经
历了多个版本的升级,已经有Multisim2001、 Multisim7、 Multisim8、Multisim9 、Multisim10、Multisim11、
Multisim12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Multisim12为例介绍其基本操作。图1-1是Multisim12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1-1 Multisim12用户界面
菜单栏与Windows应用程序相似,如图1-2所示。
图1-2 Multisim菜单栏
其中,Options菜单下的Global Preferences和Sheet Properties可进行个性化界面设置,Multisim12
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1-3是主工具栏及按钮名称,图1-4是元器件工具栏及按钮名称,图1-5是虚拟仪器工具栏及仪
器名称。
图1-3 Multisim主工具栏
图1-4 Multisim元器件工具栏
图1-5 Multisim虚拟仪器工具栏
项目管理器位于Multisim12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;
Project View:显示同一电路的不同页。
1.2 Multisim仿真基本操作
Multisim12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:
1.2.1 建立电路文件
具体建立电路文件的方法有:
打开Multisim12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+N
1.2.2 放置元器件和仪表
Multisim12的元件数据库有:主元件库(Master Database),用户元件库(User Database),合作元件
库(Corporate Database),后两个库由用户或合作人创建.。
放置元器件的方法有:
菜单Place Component
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(Place Source),
得到如图1-6所示界面。
图1-6 放置电源
修改电压值为12V,如图1-7所示。
图1-7 修改电压源的电压值
同理,放置接地端和电阻,如图1-8所示。
图1-8 放置接地端(左图)和电阻(右图)
图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1-9 放置元器件和仪器仪表
1.2.3 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(Component Wizard)
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:菜单Tools/ Component Wizard,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User
Database(用户数据库)中。
1.2.4 连线和进一步调整
连线:
(1)自动连线:在连接两个元件时,首先鼠标指向一个元件的端点使其出现一个小圆点,按下鼠标左
键并拖曳出一根导线,拉住导线并指向另一个元件的端点使其出现一个小圆点,按下鼠标左键确定终点,
则导线连接完成。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:在连接两个元件时,首先鼠标指向一个元件的端点使其出现一个小圆点,按下鼠标左
键并拖曳出一根导线,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,Multisim12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/Sheet Properties/Circuit/Net Names,选择Show All;
(4)导线和节点删除:鼠标指针放在导线上,单击右键/Delete,或者左键点击选中,按键盘Delete键。
图1-10是连线和调整后的电路图,图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1-11 电路图的节点编号显示
1.2.5 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1-12 示波器界面(右图为点击Reverse按钮将背景反色)
1.2.6 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/DC Operating Point
选择输出节点1、4、5,点击ADD、Simulate
图1-13 静态工作点分析
2 差分放大电路仿真
直接耦合是多级放大的重要级间连接方式,对直流信号、变化缓慢的信号只能用直接耦合,但随之
而来的是零点漂移问题,影响电路的稳定,解决这个问题的一个办法是采用差动放大电路,在电子设备
中常用差动放大电路放大差摸信号,抑制温度变化、电源电压波动等引起的共模信号。
图2-1是差动放大电路仿真电路,是由两个相同的共射放大电路组成的,当开关J1拨向左侧时,构
成了一个典型的差动放大电路,调零电位器Rw用来调节T1、T2管的静态工作点,使得输入信号为0
时,双端输出电压(即电阻R
L
上的电压)为0。
当开关S拨向右侧时,构成了一个具有恒流源的差动放大电路,用恒流源代替射极电阻Re,可以进
一步提高抑制共模信号的能力。
差动放大电路的输入信号既可以是交流信号,也可以是直流信号。图2-1中,输入信号由函数发生
器提供,函数发生器(Function Generator)可以产生正弦波、三角波、矩形波电压信号,可设置的参数
有:频率、幅值、占空比、直流偏置,频率范围很宽(0.001pHz~1000THz)。
差动放大电路需要一正一负两个电压源,实际中不存在负的电压源,将正极接地,则电压源的负极
可以提供负的电压,因此,按照图中的接法可以提供正负电压源。
差动放大电路有两个输入端和两个输出端,因此电路组态有双入双出、双入单出、单入双出、单入
单出4种,凡是双端输出,差摸电压放大倍数与单管情况下相同,凡是单端输出,差摸电压放大倍数为
单管情况下的一半。
图2-1 差动放大电路仿真电路
2.1差分放大电路性能测试
2.1.1绘制仿真电路
1)打开Multisim12软件,画出如图2-1所示电路。具体步骤为:单击“”分类图标,打开Select Component”
窗口,选择需要的电阻、电容、晶体管、电源等元件,放置到仿真工作区。各元件所在位置如下。
电阻:(Group)Basic→(Family) RESISTOR。
电位器:(Group)Basic→(Family) POTENTIONMETER
晶体管:(Group)Transistors→(Family) BJT_NPN→(Component) 2N3903。
单刀双掷开关:(Group)Basic→(Family) SWTTCH→(Component) SPDT。
电源Vcc:(Group)Sourses→(Family) POWER_SOURSES→(Component) VCC。
电源Vee:(Group)Sourses→(Family) POWER_SOURSES→(Component) VEE。
地GND:(Group)Sourses→(Family) POWER_SOURSES→(Component) GROUND。
2)找到主页面竖排虚拟仪器图标“”,单击选择需要的虚拟仪器,信号发生器(Function Generator)
双通道示波器(Double Channel Oscilloscope)等,调整各元器件位置绘制电路。
3)选择“Place” →“Junction”命令放置节点,选择“Place” →“Text”命令在各节点旁文本
输入“A”、“B”、“Ui”、“Uc1”、“Uc2”和“Uo”,便于分辨和观察信号。
2.1.2静态工作点的调节和测量
1) 调节典型差动放大器零点
在图2-1所示电路中接入万用表、直流电压表。不加交流信号,将放大器输入端A、B与地短接,
开关S拨向左边构成典型差分放大电路。如图2.2所示。接通±12V直流电源,用直流电压表测量输出
电压Uo,仿真运行,调节晶体管发射极调零电位器R
P
,使U
o
=0,即调整电路使左右完全对称,则调零
工作完毕。调节要仔细,力求准确。
图2-2 差动放大电路调零及静态工作点测量电路
2)典型差动放大器静态工作点测量
零点调好以后,测量电路中各处的静态工作点,可以用万用表、电压表和电流表等工具,或用直流
分析法、测量探针测量法等方法来测量,该例用直流电压表测量V
1
、V
2
管各电极电位及射极电阻R
E
两
端电压U
RE
,如图2.2所示。将数据记入表1中。
表1 典型差分放大电路静态工作点数据表
测量值
U
C1
/V
计算值
U
B1
/V
I
C
/mA
U
E1
/V
U
C2
/V
I
B
/mA
U
B2
/V
U
E2
/V
U
RE
/V
U
CE
/mA
3)恒流源差动放大器静态工作点分析与测量
将开关S拨向右边,构成恒流源差动放大电路,重复上述实验步骤2.1.1和2.1.2,记录数据到表1-1
中。
表1-1 恒流源差分放大电路静态工作点数据表
测量值
U
C1
/V
计算值
U
B1
/V
I
C
/mA
U
E1
/V
U
C2
/V
I
B
/mA
U
B2
/V
U
E2
/V
U
RE
/V
U
CE
/mA
2.1.3测量差模电压放大倍数:(单端输入双端输出)
在图2-1所示电路中接入函数信号发生器、示波器及万用表。函数信号发生器XFG1的“+”端接放
大电路输入A端,放大器输入B端接地(如图2-3所示),构成单端输入方式,
断开直流电源,调节函数信号发生器XFG1,使输入信号为频率f 1kHz的正弦信号,并使输出旋
钮旋至零,用示波器XSC1监视输出端(集电极C
1
或C
2
与地之间)。
接通12V直流电源,逐渐增大输入电压U
i
(约100mV),在输出波形无失真的情况下,用万用表交
流档测U
i
、U
C1
和U
C2
,并观察u
i
、u
C1
和u
C2
之间的相位关系及U
RE
随U
i
改变而变化的情况,记入表2
中。
图2-3 差动放大电路差模(单端输入)电压放大测量电路
表2 典型差分放大电路差模输入数据表
典型差分
放大电路
U
i
/
V
测量值
U
C1
/U
C2
/
V V
计算值
A
d1
=
U
C1
U
i
A
d
=
U
o
u
i
与u
C1
U
i
的相位
观察
u
i
与u
C2
的相位
关系
U
RE
与U
i
的变化情
况
关系
差模输入
100
(单端输
mV
入)
将开关S拨向右边,构成恒流源差动放大电路,重复上述实验步骤,记录数据到表四中。
表4 具有恒流源差分放大电路差模输入数据表
具有恒流
源差分放
大电路
差模输入
(单端输
入)
U
i
/
V
100
mV
测量值
U
C1
/U
C2
/
V V
计算值
A
d1
=
U
C1
U
i
A
d
=
U
o
u
i
与u
C1
U
i
的相位
观察
u
i
与u
C2
的相位
关系
U
RE
与U
i
的变化情
况
关系
2.1.4测量共模电压放大倍数
在图2-1所示电路中接入函数信号发生器、示波器及交流毫伏表。将放大器A、B短接,与函数信
号发生器XFG1的“+”端相接,“COM”端接地,构成共模输入方式。如图2-4所示。设置输入频率f 1kHz,
U
i
1V,用示波器监视输出端(集电极C
1
或C
2
与地之间),在输出电压无失真的情况下,用交流毫伏
表测测量U
C1
、U
C2
之值记入表3中,并观察u
i
、u
C1
和u
C2
之间的相位关系及U
RE
随U
i
改变而变化的情
况。
图2-4 差动放大电路共模放大测量电路
表3 典型差分放大电路共模输入数据表
典型差分
放大电路
U
i
/
V
1V
测量值
U
C1
/U
C2
/
V V
计算值
A
C1
=
U
C1
U
i
A
C
=
U
o
u
i
与u
C1
U
i
的相位
观察
u
i
与u
C2
的相位
关系
U
RE
与U
i
的变化情
况
关系
共模输入
将开关S拨向右边,构成恒流源差动放大电路,重复上述实验步骤,记录数据到表5中。
表5具有恒流源差分放大电路差模输入数据表
恒流源差
分放大电
路
共模输入
U
i
/
V
1V
测量值
U
C1
/U
C2
/
V V
计算值
A
C1
=
U
C1
U
i
A
C
=
U
o
u
i
与u
C1
U
i
的相位
观察
u
i
与u
C2
的相位
关系
U
RE
与U
i
的变化情
况
关系
(4)计算共模抑制比K
CMR
。
K
CMR
=20lg
A
od
A
oc
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