張 玲 楊曉雷

NI Multisim 11.0是美國國家儀器有限公司(National Instruments，簡稱NI)推出的以Windows為基礎(chǔ)的一個(gè)專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，用戶界面友好，簡單易用，提供了功能強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計(jì)界面和方便的電路圖及文件管理功能。Multisim 11.0提供的直觀圖形化環(huán)境可使學(xué)生快速放置基本組件，幫助他們掌握電路基礎(chǔ)概念和理論。更重要的是，Multisim 11.0包含豐富的元器件，并將安捷倫測試儀器引入虛擬儀器中，使用戶在使用Multisim 11.0時(shí)能產(chǎn)生身臨其境的感覺。

一、NI Multisim 11.0中函數(shù)信號發(fā)生器的種類和功能

1.NI Multisim 11.0中函數(shù)信號發(fā)生器的種類

NI Multisim 11.0中提供了20多種在電工電子電路分析中常用的儀器儀表，其中的函數(shù)信號發(fā)生器有2種，一種是虛擬函數(shù)信號發(fā)生器，打開NI Multisim 11.0軟件后，單擊仿真/儀器/函數(shù)信號發(fā)生器后，有一個(gè)函數(shù)信號發(fā)生器的虛影隨鼠標(biāo)移動(dòng)，在電路窗口相應(yīng)位置單擊鼠標(biāo)，完成虛擬儀器的放置，得到如圖1a所示的函數(shù)信號發(fā)生器圖標(biāo)，雙擊該圖標(biāo)，便可以得到如圖1b所示的函數(shù)信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置控制面板。也可以直接從整個(gè)工作界面最右側(cè)的儀表工具欄單擊拖拽到電路工作窗口。

圖1 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器

另一種是仿真安捷倫(Agilent)函數(shù)信號發(fā)生器，圖2a所示是安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器的圖標(biāo)，圖2b所示是安捷倫33120A型函數(shù)信號發(fā)生器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置控制面板。

圖2 仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器

2.函數(shù)信號發(fā)生器的功能

函數(shù)信號發(fā)生器能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形(正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波、射頻和微波等)信號，頻率范圍可從幾微赫到幾十兆赫，函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)、信號測試、調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)具有十分廣泛的用途，都要求提供符合所規(guī)定技術(shù)條件的電信號，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測設(shè)備的激勵(lì)信號。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻(高頻)發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻(低頻)、視頻信號或脈沖信號運(yùn)載出去，需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。

二、虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的使用

1.控制面板的各部分功能

NI Multisim 11.0仿真軟件中提供的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的外觀和操作與實(shí)際函數(shù)信號發(fā)生器相似，可以提供正弦波、三角波、矩形波(方波)。虛擬函數(shù)信號發(fā)生器控制面板上各功能區(qū)如圖3所示。

圖3 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器控制面板功能區(qū)

波形選擇區(qū)：用于選擇輸出波形，分別為正弦波、三角波、矩形波。

頻率設(shè)置：用于設(shè)置輸出信號的頻率，可選范圍1 fHz～1 000 THz。

占空比設(shè)置：用于設(shè)置輸出的三角波和方波電壓信號的占空比，設(shè)定范圍1%～99%。

振幅設(shè)置：用于設(shè)置輸出信號的峰值，可選范圍1 fVp～1 000 TVp。

偏移設(shè)置：用于設(shè)置輸出信號的偏置電壓，即設(shè)置輸出信號中直流成分的大小。

設(shè)置上升/下降時(shí)間：用來設(shè)置方波的上升沿與下降沿的時(shí)間。

+，－，公共端：分別表示波形電壓信號的正極性輸出端、負(fù)極性輸出端、公共端。從“+，公共”端子輸出的正極性信號；從“－，公共”端子輸出的負(fù)極性信號；從“+，－”端子輸出信號幅值是單極性信號幅值的兩倍；同時(shí)連接“+，公共，－”端子，“公共”端子作為公共地端，此時(shí)輸出兩個(gè)幅值相等、極性相反的信號。

在仿真過程中，要改變輸出波形的類型、大小、占空比或偏置電壓時(shí)，必須先暫時(shí)關(guān)閉工作界面上的仿真開關(guān)，在對上述內(nèi)容改變后，再啟動(dòng)仿真開關(guān)，函數(shù)信號發(fā)生器才能按新設(shè)置的數(shù)據(jù)輸出信號波形。

2.虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的應(yīng)用舉例

(1)頻率、幅值的設(shè)置與測量

按圖4a所示連接虛擬儀器，并設(shè)置虛擬函數(shù)信號發(fā)生器XFG1的有關(guān)參數(shù)(如圖4b所示)。通過控制面板的波形選擇區(qū)選擇正弦波信號，在輸出信號的頻率設(shè)置區(qū)設(shè)置頻率的大小和單位，假如設(shè)置為50 Hz，在信號幅度設(shè)置區(qū)設(shè)置輸出電壓的幅值為10 Vp，其有效值為

圖4 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的連接及設(shè)置

XMM1是虛擬萬用表，選擇測量正弦交流電壓，測量結(jié)果是被測電壓的有效值；XFC1是頻率計(jì)。分別雙擊XMM1，XFC1的圖標(biāo)，運(yùn)行仿真，可以觀察到XMM1和XFC1的讀數(shù)分別是7.071 V和50 Hz，與函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)置輸出信號電壓的參數(shù)相同(如圖5所示)。

圖5 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的測量結(jié)果

(2)信號極性和幅值的觀察與測量

①按圖6a所示連接示波器XSC1，虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)置不變，從“+，公共端”輸出的電壓信號送到示波器的A通道，比例是5 V/Div(如圖6b所示)，從示波器觀察其波形，并測出其幅值是10 V。

圖6 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的連接及輸出波形

②按圖7所示連接示波器XSC1，虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)置不變，從“+，－”端輸出的電壓信號送到示波器A通道，比例是10 V/Div，從示波器觀察其波形，并測出其幅值是20 V，即從“+，－”端輸出的信號幅值是單極性信號幅值的兩倍。

圖7 虛擬信號發(fā)生器與示波器的連接及輸出波形

③按圖8所示同時(shí)連接“+，公共，－”端子，“公共”端子作為公共地端，分別送到示波器的A，B通道，此時(shí)輸出兩個(gè)幅值相等極性相反的信號。

圖8 虛擬信號發(fā)生器分別輸出單極性信號及波形

(3)微分電路和積分電路

①RC微分電路由電阻R1和電容C1串聯(lián)組成，電路的時(shí)間常數(shù)滿足τ=RC?T，電阻R1兩端的電壓作為輸出電壓。其中，由虛擬函數(shù)信號發(fā)生器XFG1提供可調(diào)的方波信號占空比q=50%、幅值Um=±10 V、頻率1 kHz(周期0.001 S)，用雙蹤示波器XSC1來觀測輸入矩形波與電阻兩端輸出的電壓u的波形(如圖9所示)。

圖9 RC微分電路仿真測試圖及波形

②RC積分電路由電阻R1和電容C1串聯(lián)組成，電路的時(shí)間常數(shù)滿足τ=RC?T，把電容C1兩端的電壓作為輸出電壓(如圖10所示)。其中，由函數(shù)信號發(fā)生器XFG1提供可調(diào)的方波信號的占空比q=50%、幅值Um=±10 V、頻率1 kHz(周期0．001 S)，雙蹤示波器XSC1用于觀測輸入信號及電阻兩端電壓u的波形(如圖10所示)。

圖10 RC積分電路仿真測試圖及波形

三、仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器的使用

仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器由于功能多，操作比較復(fù)雜，其面板各按鈕、旋鈕和輸入、輸出端口等的設(shè)計(jì)和實(shí)物安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器面板一模一樣，這使我們坐在電腦前就能享受到在實(shí)驗(yàn)室操作高級儀器的愉悅，且無損壞儀器的擔(dān)憂。它的型號是Agilent33120A，頻寬為15 MHz，不僅能產(chǎn)生一般的正弦波、方波、三角波和鋸齒波，而且還能產(chǎn)生按指上升或下降的波形等特殊波形以及由8～256點(diǎn)描述的任意波形。

1.控制面板各區(qū)域的功能

整個(gè)控制面板可以分為上下兩個(gè)部分，上部是顯示屏和調(diào)節(jié)旋鈕(如圖11所示)。顯示屏主要用來顯示數(shù)字、單位、信號的種類、功能鍵信息等；調(diào)節(jié)旋鈕主要用來進(jìn)行大范圍單位大小的改變或連續(xù)快速調(diào)節(jié)頻率、幅值等，用鼠標(biāo)按住調(diào)節(jié)旋鈕作調(diào)整時(shí)，順時(shí)針增大，逆時(shí)針減小。

圖11 仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器的顯示屏和調(diào)節(jié)旋鈕

下部是電源開關(guān)、功能按鍵、信號輸出端等(如圖12所示)。

圖12 仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器的功能按鍵和輸出端

(1)電源開關(guān)

單擊它可以使儀器接通電源，信號發(fā)生器開始工作，再次單擊，電源關(guān)閉，信號發(fā)生器停止工作。

(2)Shift鍵

功能切換鍵，單擊它顯示器上會(huì)出現(xiàn)Shift，此時(shí)面板上按鍵上方的功能起作用。

(3)功能/調(diào)制鍵

(9)信號輸出端

上方標(biāo)有“SYNC”為同步信號輸出端，下方標(biāo)有“50 Ω”為50 Ω匹配輸出端，也是普通信號輸出端。在電路連接圖標(biāo)僅有兩個(gè)接線端，應(yīng)用時(shí)只需將其中的一端與電路的輸入端連接即可，其公共端默認(rèn)連接。

2.在RLC串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

串聯(lián)諧振電路的實(shí)驗(yàn)是電工技術(shù)中非常重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)來測定諧振電路的電壓或電流，尋找諧振頻率，驗(yàn)證諧振電路的特點(diǎn)，從而加深理解串聯(lián)諧振電路頻率特性和電路品質(zhì)因數(shù)的物理意義，進(jìn)一步掌握幾種常用電子儀器的使用方法。傳統(tǒng)電工技術(shù)教學(xué)中使用實(shí)際的儀器、電子元器件和設(shè)備，操作起來比較麻煩，如果使用Multisim 11.0仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將會(huì)取得明顯的教學(xué)效果。

利用Multisim 11.0仿真軟件建立如圖13所示的電路，其中XFG1為安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器，用來產(chǎn)生所需要的正弦波信號，并且頻率可以在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；XMM1為萬用表，用來測量電阻R1兩端的電壓，當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，萬用表讀取的電壓值最大。

圖13 RLC串聯(lián)諧振電路及儀器連接圖

(1)尋找諧振頻率

①根據(jù)理論計(jì)算可知，該電路的諧振頻率

②按圖13連接電路，雙擊XFG1圖標(biāo)，出現(xiàn)控制面板，單擊電源開關(guān)(Power)，將安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號選擇為“正弦波”，輸出電壓的峰―峰值調(diào)至10 Vpp(如圖14所示)，其有效值為并在實(shí)驗(yàn)過程中一直保持該電壓不變。

圖14 仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器輸出電壓的峰―峰值

③由低到高調(diào)節(jié)輸出信號的頻率(可以從2 kHz開始逐步增大)，同時(shí)觀察萬用表XMM1的讀數(shù)變化，可以發(fā)現(xiàn)，萬用表XMM1的讀數(shù)逐漸增大，當(dāng)增大到3.535 V后又開始逐漸減小，微調(diào)使萬用表XMM2，XMM3的讀數(shù)相同，此時(shí)電路處于諧振狀態(tài)，函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率(顯示的5.031 6 kHz)即為諧振頻率(如圖15所示)，也就是說，測量的諧振頻率f0=5.031 6 kHz。

圖15 RLC串聯(lián)諧振電路的諧振頻率值

諧振時(shí)，電阻R1兩端的電壓是3.535 V，也等于函數(shù)信號發(fā)生器輸出電壓的有效值，電感L1和電容C1兩端的電壓都是33.709 V(如圖16所示)。

圖16 諧振時(shí)R1，L1，C1兩端的電壓

(2)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

根據(jù)測量的電壓值，電路的品質(zhì)因數(shù)

根據(jù)電路的參數(shù)，理論計(jì)算得到

測量結(jié)果與理論計(jì)算基本相符，這也說明了測量的準(zhǔn)確性。

如果保持信號發(fā)生器的輸入電壓和電路中的L，C的值不變，調(diào)節(jié)頻率大小，可以分別測出不同阻值時(shí)電壓或電流的變化，根據(jù)測量的頻率、電壓或電流的數(shù)值，利用Excel中“圖表向?qū)А睒?gòu)建圖像，可以畫出諧振曲線。通過比較曲線的變化，可以理解品質(zhì)因數(shù)Q值的意義。也可以根據(jù)串聯(lián)諧振電路電壓與電流相位相同的特點(diǎn)，利用示波器觀察李沙育圖形來尋找諧振頻率。

四、結(jié)束語

使用Multisim 11.0仿真軟件中的函數(shù)信號發(fā)生器，可以完成電工電子技術(shù)中的很多實(shí)驗(yàn)。利用Multisim 11.0仿真軟件中虛擬函數(shù)信號發(fā)生器和仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器強(qiáng)大的功能，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深了對電路基本知識和基本規(guī)律的理解，而且通過操作仿真安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器的控制面板，逐步掌握了函數(shù)信號發(fā)生器的使用方法，為使用實(shí)際函數(shù)信號發(fā)生器打下良好的基礎(chǔ)。

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