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

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

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

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

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

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

关系

(4)计算共模抑制比K

CMR

K

CMR

=20lg

A

od

A

oc