蔣先偉，王菲菲，楊 金，范程華，魯世斌

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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Multisim在數(shù)模電實驗教學(xué)中的應(yīng)用

蔣先偉，王菲菲，楊 金，范程華，魯世斌

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

文中介紹了Multisim12仿真軟件的功能和特點，通過疊加定理、單管共射放大電路分析、二十九進(jìn)制計數(shù)器仿真分析這三個典型的數(shù)模電實驗，闡述了Multisim12在數(shù)模電實驗教學(xué)中的使用方法。結(jié)果表明，Multisim12仿真軟件可以使學(xué)生加深對數(shù)模電實驗的理解，可以進(jìn)一步提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

Multisim12 ；實驗教學(xué)；仿真分析

1 引言

電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是高等學(xué)校電子信息工程、通信工程、微電子科學(xué)與技術(shù)、電氣工程及其自動化等專業(yè)十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，這些課程具有很強(qiáng)的工程實踐性。學(xué)生不僅要掌握電路的基本工作原理、分析方法，對于工科學(xué)生來說，更為重要的是培養(yǎng)電路設(shè)計及其實際應(yīng)用的能力。隨著集成電路技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種新型電子器件、產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，而在實驗教學(xué)中，不可能實現(xiàn)器件的飛速更新，這勢必影響到實驗的教學(xué)效果。EDA(電子設(shè)計自動化)軟件的出現(xiàn)，剛好解決了這些問題。Multisim電子仿真軟件具有完整的電路系統(tǒng)設(shè)計及仿真功能、虛擬儀表及分析功能。通過Multisim軟件，構(gòu)建和設(shè)計各種電路，并用儀器儀表如萬用表、示波器、頻率計等來判斷電路的可行性與結(jié)果，可以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解。同時，可以利用該軟件來實現(xiàn)綜合性實驗，這是實驗室僅有的儀器設(shè)備所無法比擬的，由于其直觀形象，大大促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，將Multisim軟件與傳統(tǒng)的數(shù)模電實驗課程教學(xué)方式相結(jié)合，有利于學(xué)生對電路綜合能力和專業(yè)素質(zhì)的提高。

2 Multisim12簡介

NIMultisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件[1]。作為 Windows 下運(yùn)行的個人桌面電子設(shè)計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。NI Multisim計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。該軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim12具有以下主要特點[2]：

(1)直觀的圖像界面，整個操作界面就像一個電子實驗工作臺。繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，使用起來非常方便。

(2)豐富的元件庫：Multisim主元件庫提供了17000多種電路元件，包括基本元件、顯示管、集成電路元件；同時能方便的對元件各種參數(shù)進(jìn)行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，也可以創(chuàng)建自己的元器件。

(3)完備的分析功能：Multisim提供了多種分析功能，包括直流工作點、交流分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、溫度掃描分析、蒙特卡羅分析、最差情況分析、線寬分析、批處理分析、傳遞函數(shù)分析等和用戶自定義分析。

(4) 強(qiáng)大的仿真能力：以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench 帶有的增強(qiáng)設(shè)計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋?/p>

(5)獨(dú)特的射頻(RF)模塊：提供基本射頻電路的設(shè)計、分析和仿真。射頻模塊由RF-specific(射頻特殊元件，包括自定義的RF SPICE模型)、用于創(chuàng)建用戶自定義的RF模型的模型生成器、兩個RF-specific儀器(Spectrum Analyzer頻譜分析儀和Network Analyzer網(wǎng)絡(luò)分析儀)、一些RF-specific分析(電路特性、匹配網(wǎng)絡(luò)單元、噪聲系數(shù))等組成。

(6)強(qiáng)大的MCU模塊：支持4種類型的單片機(jī)芯片，支持對外部RAM、外部ROM、鍵盤和LCD等外圍設(shè)備的仿真，分別對4 種類型芯片提供匯編和編譯支持；所建項目支持C代碼、匯編代碼以及16進(jìn)制代碼，并兼容第三方工具源代碼；包含設(shè)置斷點、單步運(yùn)行、查看和編輯內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器等高級調(diào)試功能。

3 Multisim12在數(shù)模電實驗教學(xué)中的應(yīng)用

Multisim在教學(xué)中表現(xiàn)出來的突出優(yōu)點是直觀形象，改變電路中的參數(shù)或者元件，結(jié)果就會直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前。通過軟件仿真可以擴(kuò)展實驗的深度和廣度，為制作實物提供可靠的理論依據(jù)和設(shè)計方案，打破了時間和空間的限制，學(xué)生只要有一臺電腦，即可在不同時間、地點自主的學(xué)習(xí)，有效的提高了學(xué)習(xí)效率[3]。

3.1 疊加定理驗證分析

疊加定理是線性電路的基本特性，它可以將一個具有多電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等效變換為若干個單電源或數(shù)個電源的簡單網(wǎng)絡(luò)，簡化了電路的復(fù)雜性。通過Multisim對總體電路和單個電源作用的電路進(jìn)行仿真，驗證疊加定理的正確性。圖1是Multisim界面下電路實驗中的疊加定理電路圖。圖中有兩個電壓源共同作用于電路，在每個電阻兩側(cè)并聯(lián)萬用表，可以測出兩端的電壓，或者點擊Simulate菜單下Analyses，選擇DC operating point，添加所需的節(jié)點和支路進(jìn)行分析，可以得出相應(yīng)的電壓以及電流。

圖1 疊加定理電路

為了驗證疊加定理的正確性，首先仿真出總體電路中相應(yīng)的節(jié)點電壓和支路電流，如圖1(b)所示。接下來，按照相同的操作方法，仿真分析了12V和6V電壓源單獨(dú)作用時各節(jié)點電壓和支路電流的大小，如圖2、3所示。

圖2 12V電壓源單獨(dú)作用時的電路

圖3 6V電壓源單獨(dú)作用時的電路

為闡述方便，圖1(b)中的電流電壓用I、U表示，圖2(b)中的電流電壓用I1、U1表示，圖3(b)中的電流電壓用I2、U2來表示。由上述結(jié)果計算可知：I(R1)= I1(R1)+ I2(R1)，I(R2)= I1(R2)+ I2(R2)，I(R3)= I1(R3)+ I2(R3)，I(R4)= I1(R4)+ I2(R4)，U(1)= U1(1)+ U2(1)，U(2)= U1(2)+ U2(1)(圖3(a)中的1和2是同一節(jié)點)，U(3)= U1(3)+ U2(3)，U(5)= U1(5)+ U2(5)， U(6)= U1(5)+ U2(6) (圖2(a)中的5和6是同一節(jié)點)。由此，仿真結(jié)果驗證了疊加定理的正確性。

3.2 單管共射放大電路仿真分析

晶體管共射放大電路實驗，是模電實驗中較難的實驗項目之一。由于晶體管工作既需要直流電源，又需要交流小信號，不少學(xué)生對此比較混亂，遇到問題時往往會束手無策。為此，通過Multisim仿真平臺，可以要求學(xué)生對照單管共射放大電路，先進(jìn)行電路搭建，對電路進(jìn)行靜態(tài)工作點的調(diào)試，最后在輸入端加上交流小信號，觀察其輸出波形與靜態(tài)工作點位置之間的關(guān)系。單管共射放大電路如圖4所示。

圖4 晶體管放大電路原理圖

晶體管若實現(xiàn)對信號的正常放大，必須工作在放大區(qū)，因此需要設(shè)置合適的工作點，在晶體管的發(fā)射級加上萬用表，調(diào)節(jié)滑動變阻器的觸頭，使得發(fā)射級電壓UE=2V，對放大電路進(jìn)行靜態(tài)直流分析，得出晶體管三級電壓如圖5(a)所示，UCE= 5.21V，UBE= 0.79V， 滿足UBE>Uon，UCE>UBE的放大條件。在晶體管的輸入端加上交流小信號，將雙蹤示波器分別接至電路的輸入輸出端，并設(shè)置相應(yīng)通道的參數(shù)，觀察其波形如圖5(b)所示，表明該情況下是正常的放大功能。

圖5 放大區(qū)

改變滑動觸頭的位置，即改變基極電阻的大小，當(dāng)RW非常小時，對電路進(jìn)行靜態(tài)直流分析，得出晶體管三個極的電位如圖6(a)所示，UCE= 0.089V，UBE= 0.81V，由此表明，此時晶體管發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)正向偏置，所以在該電路中晶體管工作在飽和區(qū)。當(dāng)輸入端加上交流小信號后，得出其輸入輸出波形如圖6(b)所示，波形發(fā)生了底部失真，原因即是晶體管工作在飽和區(qū)。

圖6 飽和區(qū)

圖7 截止區(qū)

在放大電路的基礎(chǔ)上增大基極電阻RW的阻值，對電路進(jìn)行靜態(tài)直流分析，得出晶體管三個極的電位如圖7(a)所示，UCE=10V，UBE= 0.76V，此時晶體管的靜態(tài)工作點靠近截止區(qū)。在輸入端加上交流小信號，得出其輸入輸出波形如圖6(b)所示，波形發(fā)生了頂部失真，原因即是靜態(tài)工作點設(shè)置不合理，落在了近截止區(qū)的位置。

分析上述三種情況，發(fā)現(xiàn)改變基極電阻，會使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出波形發(fā)生了失真，除此之外，學(xué)生可以通過改變晶體管的β值，來觀察放大狀態(tài)下，波形大小發(fā)生的變化。

3.3 二十九進(jìn)制計算器仿真分析

圖8 二十九進(jìn)制計數(shù)器

從本例中，可以看出，只要搭建好電路，在這里可以得出100進(jìn)制，在此基礎(chǔ)上只需要改變不同的譯碼狀態(tài)即可得到不同進(jìn)制的計算器，簡單明了，又形象生動。改變計數(shù)脈沖的頻率，計數(shù)的速度也隨之發(fā)生變化。

4 結(jié)束語

Multisim仿真軟件應(yīng)用到實驗教學(xué)中，可彌補(bǔ)實驗室條件的不足，有著傳統(tǒng)實驗教學(xué)不可比擬的優(yōu)勢。利用Multisim軟件不僅可以對實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行電路仿真，而且可以深入研究實驗課程中因條件不足無法開設(shè)的實驗，對降低實驗成本，改善教學(xué)效果起到很大的促進(jìn)作用，同時，其直觀的實驗結(jié)果，能夠加深學(xué)生對理論知識的理解，激發(fā)學(xué)生對數(shù)模電實驗課程的學(xué)習(xí)興趣，可以有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

[1] 李良榮.現(xiàn)代電子技術(shù)：基于Multisim7&Ultiboard[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[2] 古良玲, 王玉菡.電子技術(shù)實驗與Multisim12仿真[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

[3] 王爾申, 李軒, 王相海等. 基于Multisim的電子及工業(yè)電子學(xué)課程仿真實驗設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理， 2014, 31(10):128-140.

[4] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.

2016-08-25

2014年校級教學(xué)研究一般項目(2014yj24)；電子工程示范教研室(2013syjys10)；2016年安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點項目(KJ2016A574)資助

蔣先偉(1983-)，女，安徽五河人，講師，研究方向：集成電路設(shè)計。

G61

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1674-2273(2016)06-0068-05