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|第 13 章 Multisim 模拟电路仿真本章 Multisim10 电路仿真软件，讲解使用 Multisim 进行模拟电路仿真的基本方法。目录1. Multisim 软件入门2. 二极管电路 3. 基本放大电路4. 差分放大电路5. 负反馈放大电路 6. 集成运放信号运算和处理电路 7. 互补对称（OCL）功率放大电路 8. 信号产生和转换电路 9. 可调式三端集成直流稳压电源电路13.1 Multisim 用户界面及基本操作13.1.1 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 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 Multisim10 为例介绍其基本操作。图 13.1-1 是 Multisim10 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 13.1-1 Multisim10 用户界面菜单栏与 Windows 应用程序相似，如图 13.1-2 所示。图 13.1-2 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，Multisim10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 13.1-3 是主工具栏及按钮名称，图 13.1-4 是元器件工具栏及按钮名称，图 13.1-5 是虚拟仪器工具栏及仪器名称。|图 13.1-3 Multisim 主工具栏图 13.1-4 Multisim 元器件工具栏图 13.1-5 Multisim 虚拟仪器工具栏项目管理器位于 Multisim10 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。13.1.2 Multisim 仿真基本操作Multisim10 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. 建立电路文件具体建立电路文件的方法有： 打开 Multisim10 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+N2. 放置元器件和仪表Multisim10 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，新安装的 Multisim10 中这两个数据库是空的。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 13.1-6 所示界面。图 13.1-6 放置电源修改电压值为 12V，如图 13.1-7 所示。|图 13.1-7 修改电压源的电压值同理，放置接地端和电阻，如图 13.1-8 所示。图 13.1-8 放置接地端（左图）和电阻（右图）图 13.1-9 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 13.1-9 放置元器件和仪器仪表|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。4. 连线和进一步调整连线：（1）自动连线：单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形，移动鼠标至目标引脚或导线，单击，则连线完成，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：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，Multisim10 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：右击/Delete，或者点击选中，按键盘 Delete 键。图 13.1-10 是连线和调整后的电路图，图 13.1-11 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 13.1-11 电路图的节点编号显示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 13.1-12 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 13.1-12 示波器界面（右图为点击 Reverse 按钮将背景反色）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 13.1-13 静态工作点分析 13.2 二极管及三极管电路13.2.1 二极管参数测试仿真实验半导体二极管是由 PN 结构成的一种非线性元件。典型的二极管伏安特性曲线可分为 4 个区：死区、正向导通区、反向截止区、反向击穿区，二极管具有单向导电性、稳压特性，利用这些特性可以构成整流、限幅、钳位、稳压等功能电路。半导体二极管正向特性参数测试电路如图 13.2-1 所示。表 13.2-1 是正向测试的数据，从仿真数据可以看出：二极管电阻值 不是固定值，当二极管两端正向电压小，处于“死区” ，正向电阻很大、正dr|向电流很小，当二极管两端正向电压超过死区电压，正向电流急剧增加，正向电阻也迅速减小，处于“正向导通区” 。图 13.2-1 二极管正向特性测试电路表 13.2-1 二极管正向特性仿真测试数据Rw 10% 20% 30% 50% 70% 90%Vd/mV 299 496 544 583 613 660Id/mA 0.004 0.248 0.684 1.529 2.860 7.286rd=Vd/Id（欧姆） 74750 2000 795 381 214 90.58半导体二极管反向特性参数测试电路如图 13.2-2 所示。图 13.2-2 二极管反向特性测试电路表 13.2-2 是反向测试的数据，从仿真数据可以看出：二极管反向电阻较大，而正向电阻小，故具有单向特性。反向电压超过一定数值（V BR） ，进入“反向击穿区 ”，反向电压的微小增大会导致反向电流急剧增加。表 13.2-2 二极管反向特性仿真测试数据Rw 10% 30% 50% 80% 90% 100%Vd/mV 10000 30000 49993 79982 80180 80327Id/mA 0 0.004 0.007 0.043 35 197rd=Vd/Id（欧姆） 7.5E6 7.1E6 1.8E6 2290.9 407.8|13.2.2 二极管电路分析仿真实验二极管是非线性器件，引入线性电路模型可使分析更简单。有两种线性模型：（1）大信号状态下的理想二极管模型，理想二极管相当于一个理想开关；（2）正向压降与外加电压相比不可忽略，且正向电阻与外接电阻相比可以忽略时的恒压源模型，即一个恒压源与一个理想二极管串联。图 13.2-3 是二极管实验电路，由图中的电压表可以读出：二极管导通电压 Von = 0.617V; 输出电压Vo = -2.617V。图 13.2-3 二极管实验电路（二极管为 IN4148）利用二极管的单向导电性、正向导通后其压降基本恒定的特性，可实现对输入信号的限幅，图 13.2-4（a）是二极管双向限幅实验电路。V1 和 V2 是两个电压源，根据电路图，上限幅值为：V1+Von，下限幅值为：V2Von。在 Vi 的正半周，当输入信号幅值小于（ V1+Von）时，D1、D2均截止，故 Vo = Vi；当 Vi 大于（ V1+Von）时，D1 导通、D2 截止，Vo = V1+Von4.65V；在 Vi 的负半周，当|Vi| （V2+Von ）时，D2 导通、D1 截止，Vo = -（V2+Von） -2.65V。图 13.2-4（b）是二极管双向限幅实验电路的仿真结果，输出电压波形与理论分析基本一致。（a ）二极管双向限幅仿真电路 （b）输出电压波形图 13.2-4 二极管双向限幅实验电路