梁 麗

（北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048）

電子線路設(shè)計(jì)是電子技術(shù)課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)的理論綜合性和工程實(shí)踐性，對學(xué)生知識綜合運(yùn)用能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)至關(guān)重要[1]。由于電子設(shè)計(jì)自動化（electronic design automation，EDA）技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可以借助計(jì)算機(jī)完成電子線路的原理性設(shè)計(jì)和仿真，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。將EDA 技術(shù)引入電子線路設(shè)計(jì)，使得電子線路設(shè)計(jì)變得輕松、靈活和高效，極大地提高了電子線路設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，給電子線路設(shè)計(jì)帶來了根本性的變革[2]。

1 基于Multisim 的電子線路設(shè)計(jì)方法

EDA 工具軟件Multisim 是專門用于電子線路分析與設(shè)計(jì)的虛擬仿真軟件，可以進(jìn)行電路的輔助設(shè)計(jì)、仿真、分析和功能測試[3]。Multisim 提供了集成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供了龐大的元器件模型庫和種類齊全的虛擬儀器，還提供了強(qiáng)大的分析工具（如最差情況分析、傳遞函數(shù)分析等）[4]，用戶自建新元器件也非常方便。

基于Multisim 的電子線路設(shè)計(jì)基本步驟如下[5]：

（1）根據(jù)電子線路設(shè)計(jì)的要求，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，擬定設(shè)計(jì)方案，畫出原理框圖；

（2）將電路劃分為若干個單元電路，對單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括確定電路結(jié)構(gòu)、進(jìn)行電路參數(shù)的計(jì)算和元器件的選擇等，畫出電路圖；

（3）在Multisim 環(huán)境下搭建實(shí)驗(yàn)電路，對電路性能進(jìn)行仿真測試，根據(jù)仿真結(jié)果修改和完善設(shè)計(jì)；

（4）進(jìn)行電路板實(shí)物制作，對硬件電路進(jìn)行調(diào)試和數(shù)據(jù)分析；

（5）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。

2 電子線路設(shè)計(jì)實(shí)例——低頻放大電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求

設(shè)計(jì)一個低頻放大電路，性能指標(biāo)要求為：

（1）輸入電壓Ui≤10 mV；

（2）輸出電壓Uo≥0.8 V；

（3）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf≥80；

（4）負(fù)載電阻RL＝2.4 kΩ；

（5）輸入電阻Rif≥10 kΩ；

（6）輸出電阻Rof≤500 Ω；

（7）通頻帶范圍為200 Hz≤BWf≤3 500 Hz。

2.2 低頻放大電路設(shè)計(jì)方案

一般單級電路的電壓放大倍數(shù)為幾十，為了改善電路的性能，需加入一定深度的負(fù)反饋，故放大倍數(shù)要留有余地[6]。本文采用如圖1 所示的帶有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的兩級放大電路組成設(shè)計(jì)電路。第一級為共射放大電路，第二級為靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路；級間耦合方式為阻容耦合。在第一級引入串聯(lián)負(fù)反饋，以提高輸入電阻；第二級引入電壓負(fù)反饋，以穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻。如果去除反饋?zhàn)饔?，只考慮反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載效應(yīng)，可得圖2 所示的基本放大電路[7]。

2.3 基于Multisim 的低頻放大電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在完成電路的初步設(shè)計(jì)后，在Multisim 環(huán)境下搭建如圖1 所示的低頻放大電路虛擬模型，并使用Multisim 分析工具、虛擬儀器對電路進(jìn)行仿真調(diào)試、指標(biāo)測試，修正電路和電路參數(shù)，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 帶有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的兩級阻容耦合放大電路

圖2 基本放大電路

2.3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的測量

靜態(tài)工作點(diǎn)的測量是指測定電路直流通路中各節(jié)點(diǎn)電壓和各支路電流的大小。系統(tǒng)自動給出各節(jié)點(diǎn)序號并顯示在電路圖中。執(zhí)行 Simulate/Analysis/DC Operating Point 選單命令，選定所要分析的節(jié)點(diǎn)，調(diào)節(jié)電位器RP1、RP2的阻值，可改變第一、二級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)RP1調(diào)節(jié)至31%時(shí)，第一級節(jié)點(diǎn)1、8 和11 的直流電壓分別為UCQ1＝10.397 V、UBQ1＝1.376 V 和UEQ1＝0.755 V；當(dāng)RP2調(diào)節(jié)至20%時(shí)，第二級節(jié)點(diǎn)17、9 和20 的直流電壓分別為UCQ2＝6.442 V、UBQ2＝4.101 V 和UEQ2＝3.453 V。通過計(jì)算三極管發(fā)射結(jié)、集電結(jié)壓降，可知T1、T2均處于放大狀態(tài)。

2.3.2 電壓放大倍數(shù)的測量

圖3 基本放大電路的輸入、輸出波形

在圖1 所示的負(fù)反饋放大電路中，設(shè)定信號源為頻率1 kHz、峰值7.071 mV 的正弦波，用示波器觀測的反饋放大電路的輸入、輸出波形如圖4 所示。此時(shí)，電壓表U2的讀數(shù)為Ui＝5.000 mV、電壓表U4的讀數(shù)為UL＝0.426 V，據(jù)此可計(jì)算出反饋放大電路電壓放大倍數(shù)為

其值滿足設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算電路的反饋系數(shù)F、反饋深度(1＋AuF)，驗(yàn)算反饋放大電路電壓放大倍數(shù)Auf：

可見，Auf的仿真實(shí)驗(yàn)值與驗(yàn)算值基本相同。引入電壓負(fù)反饋后，電壓放大倍數(shù)Auf減小到僅為基本放大電路電壓放大倍數(shù)Au的1/(1＋AuF)。

圖4 反饋放大電路的輸入、輸出波形

2.3.3 頻率響應(yīng)的測量

用波特圖儀測量電路的幅頻特性和相頻特性?；痉糯箅娐返姆l特性如圖5 所示。用垂直光標(biāo)測得中頻段電壓放大倍數(shù)Aum＝49.259 dB，上限截止頻率fH＝381.021 kHz，下限截止頻率為fL＝37.759 Hz，電路的通頻帶BW＝fH－fL≈fH＝381.021 kHz。

市政公用工程建設(shè)對城市化發(fā)展有著十分積極的意義，市政公用工程建設(shè)與人們的社會生活息息相關(guān)，如工程項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)量和功能不能充分滿足市民日常生活的要求，則其無法推動城市建設(shè)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，故而完善工程監(jiān)理工作一方面可保證工程建設(shè)的質(zhì)量，另一方面也能推動社會的進(jìn)步。

圖5 基本放大電路的幅頻特性

用波特圖儀測量反饋放大電路的幅頻特性如圖6所示。用垂直光標(biāo)測得中頻段電壓放大倍數(shù)為Aumf＝38.624 dB，上限截止頻率為fHf＝1.356 MHz，下限截止頻率為fLf＝19.359 Hz，電路的通頻帶為BWf＝fHf－fLf≈fHf＝1.356 MHz。

圖6 反饋放大電路的幅頻特性

可見，引入負(fù)反饋后，雖然降低了放大倍數(shù)，但展寬了通頻帶。

2.3.4 輸入電阻的測量

在基本放大電路中，根據(jù)電流表U1的讀數(shù)Ii＝0.268 μA、電壓表U2的讀數(shù)Ui＝1.626 mV，可得電路無反饋時(shí)的輸入電阻Ri＝Ui/ Ii＝1.626 mV/0.268 μA＝6.067 kΩ，其值不滿足設(shè)計(jì)要求。

在反饋放大電路中，根據(jù)電流表U1的讀數(shù)Ii＝0.251 μA、電壓表U2的讀數(shù)Ui＝5.000 mV，可得電路有反饋時(shí)的輸入電阻Rif＝Ui/ Ii＝5.000 mV/0.251 μA ＝19.920 kΩ＞10 kΩ，其值滿足設(shè)計(jì)要求。

在基本放大電路中， Ri= RB1‖=6.067kΩ，因偏置電阻 RB1=270+1000 ÷( 1 - 31%)k Ω=960kΩ在級間反饋閉環(huán)之外，故不含 RB1在內(nèi)的輸入電阻=6.106kΩ；在反饋放大電路中， Rif=RB1‖=960 ‖=19.92 kΩ，故不含 RB1在內(nèi)的輸入電阻=20.342kΩ。驗(yàn)算輸入電阻Rif如下：

可見，Rif的仿真實(shí)驗(yàn)值與驗(yàn)算值基本相同。負(fù)反饋支路的等效電阻增大到基本放大電路等效電阻的(1＋AuF)倍。

2.3.5 輸出電阻的測量

在基本放大電路中，用示波器監(jiān)視輸出波形，在輸出波形不失真的情況下，用電壓表U4測量輸出電壓。接入負(fù)載RL時(shí)，電壓表U4的讀數(shù)為UL＝0.469 V；不接負(fù)載RL時(shí)，電壓表U4的讀數(shù)為Uo＝0.950 V。根據(jù)輸出電阻計(jì)算公式，可得電路在1 kHz 頻率下無反饋時(shí)的輸出電阻Ro為

其值不滿足設(shè)計(jì)要求。另外，基本放大電路不接負(fù)載RL時(shí)的電壓放大倍數(shù)Auo為

在反饋放大電路中，在輸出波形不失真的情況下，接入負(fù)載RL時(shí)，電壓表U4的讀數(shù)為UL＝0.426 V；不接負(fù)載RL時(shí)，電壓表U4的讀數(shù)為Uo＝0.501 V。可得電路在1 kHz 頻率下有反饋時(shí)的輸出電阻Rof為

可見，Rof的仿真實(shí)驗(yàn)值與驗(yàn)算值基本相同。引入電壓負(fù)反饋后，輸出電阻Rof減小到僅為基本放大電路輸出電阻Ro的1/(1＋AuoF)。

2.3.6 電路參數(shù)對放大電路性能的影響

借助參數(shù)掃描分析可以觀察電路參數(shù)對放大電路性能的影響，以便對電路的性能進(jìn)行優(yōu)化。在反饋放大電路中，執(zhí)行Simulate/Analysis/Parameter Sweep 選單命令，在Parameter Sweep 分析對話框的Analysis Parameter 頁設(shè)置分析參數(shù) Ce2，在Output 頁選定節(jié)點(diǎn)2 為所要分析的節(jié)點(diǎn)。參數(shù)掃描分析結(jié)果如圖7 所示，自上而下的十條曲線分別對應(yīng)Ce2取值為10，20，…，100 μF。從掃描結(jié)果可以看出，旁路電容Ce2越大，下限截止頻率越低。

圖7 參數(shù)掃描分析結(jié)果

3 借助Multisim 進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

Multisim 仿真平臺集原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真于一體，在電子線路設(shè)計(jì)的應(yīng)用中有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室平臺不可比擬的優(yōu)勢[8]。

（1）Multisim 操作界面簡單，在Multisim 虛擬環(huán)境下操作避免了硬件故障，電路的設(shè)計(jì)與仿真可同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)完成電路分析、測試和調(diào)試，快速、精確地修正和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，從而大大縮短了電路設(shè)計(jì)的周期，學(xué)生的綜合實(shí)踐能力以及創(chuàng)新能力得到逐步提升[9]。

（2）突破了時(shí)間和空間的限制，提高了設(shè)計(jì)效率。借助一臺電腦和一套軟件就可以構(gòu)成一個虛擬的實(shí)驗(yàn)工作臺，學(xué)生可以利用課余時(shí)間在教室、宿舍利用電腦自主進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。

（3）Multisim 軟件提供了一般實(shí)驗(yàn)室不可能配備的失真分析儀、頻譜儀等儀器，提供了參數(shù)掃描分析、靈敏度分析等多種分析功能，使學(xué)生能夠直觀、準(zhǔn)確、全面地了解設(shè)計(jì)電路的性能，有助于拓寬學(xué)生的思維，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力[10]。

（4）由于先在Multisim 環(huán)境下進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，待得到最佳的設(shè)計(jì)方案后再搭建實(shí)際電路，因而能大大減少儀器設(shè)備和元器件的損壞[11]。

4 結(jié)語

利用EDA 工具進(jìn)行電子線路的設(shè)計(jì)，注重仿真實(shí)驗(yàn)對硬件實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)意義，在實(shí)驗(yàn)手段和內(nèi)容上互為補(bǔ)充，能有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子線路設(shè)計(jì)的不足，提升學(xué)生的實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[12]。在2017 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，我校有15 個隊(duì)45 人參賽，獲得北京賽區(qū)一等獎3 項(xiàng)、二等獎6 項(xiàng)和三等獎4 項(xiàng)；獲得全國一等獎1 項(xiàng)——我校近20 年來首次獲得該獎項(xiàng)。