Multisim10仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對(duì)模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，本文詳細(xì)介紹Multisim10在模擬電子技術(shù)中的具體應(yīng)用，通過(guò)教學(xué)實(shí)例闡述Multisim10在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用方法和實(shí)際意義。實(shí)踐結(jié)果表明，在教學(xué)過(guò)程中采用Multisim10進(jìn)行電路的仿真分析與計(jì)算，使得理論教學(xué)更加直觀、靈活，從而學(xué)生能夠更好的掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，取得良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：Multisim10；模擬電子技術(shù)；反饋放大電路；仿真分析

0 引言
    模擬電子技術(shù)是大學(xué)電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)類等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它是介于基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的一門過(guò)渡課程，該課程的教學(xué)效果直接影響到后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以板書(shū)為主，教學(xué)手段比較單一，而該課程的內(nèi)容比較抽象，這就使得學(xué)生對(duì)基本概念和基本分析方法缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。為了提高教學(xué)效果，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握，我們將Multisim10仿真軟件引入到課堂教學(xué)過(guò)程中，及時(shí)幫助學(xué)生接受課堂教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生感性理解模擬電路知識(shí)，將抽象變具體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的興趣，強(qiáng)化學(xué)生的自體作用，提高了教學(xué)質(zhì)量。

1 Multisim10功能特點(diǎn)
    Multisim10仿真軟件是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司2007年推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬、數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。作為專業(yè)的應(yīng)用軟件，它具有以下功能特點(diǎn)。
    (1)直觀地圖形界面。Multisim10把電路原理圖的創(chuàng)建、電路的測(cè)試和仿真分析都集成在一個(gè)電路窗口中，整個(gè)操作界面像是一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。
    (2)豐富的元器件庫(kù)。Multisim10的元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)，而且建庫(kù)所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊(cè)中查到，因此也很方便在工程設(shè)計(jì)中使用。
    (3)功能強(qiáng)大的虛擬儀器。Multisim10的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。
    (4)完善的分析功能。Multisim10具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。
    (5)強(qiáng)大的仿真功能。Multisim10可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，可以對(duì)被仿真電路中的元器件設(shè)置各種故障，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲(chǔ)測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。
    (6)豐富的幫助功能。幫助系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能解說(shuō)，Help中的元器件功能解說(shuō)有利于使用EWB進(jìn)行CAI教學(xué)。另外，Multisim10還提供了與國(guó)內(nèi)外流行的印刷電路板設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Protel及電路仿真軟件PSpice之間的文件接口，也能通過(guò)Windows的剪貼板把電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進(jìn)行編輯排版。支持VHDL和Verilog HDL語(yǔ)言的電路仿真與設(shè)計(jì)。

2 Multisim10在反饋放大電路教學(xué)中的應(yīng)用
    反饋在電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，在各種電子設(shè)備中，人們經(jīng)常采用反饋的方法來(lái)改善電路的性能，因此反饋放大電路是模擬電子技術(shù)課程中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，但這一章的內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不易理解，將Multisim10仿真軟件引入到課堂教學(xué)中，通過(guò)仿真結(jié)果形象生動(dòng)地展示，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。本文以負(fù)反饋放大電路為例，詳細(xì)介紹Multisim10在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用。
2．1 電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的仿真分析
    利用Multisim10對(duì)電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路進(jìn)行仿真分析時(shí)，首先創(chuàng)建電路原理圖，如圖1所示，構(gòu)建了由集成運(yùn)放組成的電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路，集成運(yùn)放選擇理想運(yùn)放。

    加上輸入信號(hào)U1，由虛擬雙蹤示波器觀察輸出電壓U0的波形無(wú)明顯的失真，并且輸入與輸出波形反相，如圖2所示。利用虛擬萬(wàn)用表測(cè)得，當(dāng)輸入電壓UI=999．848mV時(shí)，輸出電壓U0=4．999V，得到閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：
   
    由圖1可得到理論計(jì)算值，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

2．2 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路
    在Multisim10中構(gòu)建兩級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，如圖3所示，兩級(jí)放大電路均采用分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路，并采用阻容耦合方式，其中兩個(gè)三極管的參數(shù)均為β=100，rbb'=300 Ω，Cb'e=41pF，Cb'c=4pF。

    (1)將開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，電路中暫時(shí)不引入級(jí)間負(fù)反饋，利用Multisim10的直流工作點(diǎn)分析功能，測(cè)量無(wú)級(jí)間反饋時(shí)兩級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，分析結(jié)果如圖4所示。由分析結(jié)果可得，兩級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的值為UBQ1=1．99331V，UEQ1=1．38742V，UCQ1=8．81030V，UBQ2= 2．98027V，UEQ2=2．34901V，UCQ2=7．32302V，可見(jiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合理，保證了放大電路的正常工作。

    加上正弦交流輸入，利用虛擬示波器觀察到第一級(jí)輸出電壓波形與輸入電壓反相，而第二級(jí)輸出電壓波形與輸入電壓同相。兩級(jí)放大電路的輸出波形均無(wú)明顯的非線性失真。利用虛擬萬(wàn)用表測(cè)得輸入電壓和輸出電壓，得到無(wú)級(jí)間反饋時(shí)總的電壓放大倍數(shù)為：
   
    并且測(cè)得當(dāng)Ui=707．1 06 μV時(shí)，輸入電流Ii=432．882nA，則無(wú)級(jí)間反饋時(shí)放大電路的輸入電阻為
   
    將負(fù)載開(kāi)路，測(cè)得負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓Uo=213．212mV，則無(wú)級(jí)間反饋時(shí)放大電路的輸出電阻為
   
    (2)開(kāi)關(guān)K閉合，引入級(jí)間的電壓串聯(lián)負(fù)反饋。
    在同樣的輸入電壓下，輸出電壓的幅值明顯下降，測(cè)量輸出電Uo=7．012mV，求得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為
   
    可見(jiàn)引入級(jí)間負(fù)反饋后電壓放大倍數(shù)減小。
    同時(shí)測(cè)得輸入電流Ii=425．156nA，則引入級(jí)間負(fù)反饋后，輸入電阻為
   
    說(shuō)明引入級(jí)間負(fù)反饋后輸入電阻提高了，但與無(wú)級(jí)間負(fù)反饋時(shí)的輸入電阻相比，提高得很少，這是由于總的輸入電阻為Rif=Rif／／Rb11／／Rb12，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋只是提高了反饋環(huán)內(nèi)的輸入電阻R'if，而Rb11和Rb12不在反饋環(huán)內(nèi)，因此總的輸入電阻不會(huì)提高很多。
    將負(fù)載開(kāi)路，測(cè)得Uo=7．409mV，則
   
    可見(jiàn)，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，輸出電阻降低。
    總之，引入級(jí)間電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，電壓放大倍數(shù)降低，輸入電阻增大，輸出電阻減小，與教材的理論分析結(jié)果一致。
2．3 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路頻率響應(yīng)的測(cè)試
    在圖3的仿真電路中，首先將開(kāi)關(guān)K打開(kāi)，利用Multisim10的交流分析功能，測(cè)量無(wú)級(jí)間反饋時(shí)放大電路的波特圖，分析結(jié)果如圖5(a)所示。然后將開(kāi)關(guān)K閉合，測(cè)量引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后放大電路的波特圖，進(jìn)行交流分析的結(jié)果如圖5(b)所示。

    由圖5(a)可得，未引入級(jí)間反饋時(shí)，中頻電壓放大倍數(shù)20lg‖大約為45dB，當(dāng)‖下降到約為0．7‖時(shí)，利用游標(biāo)可以測(cè)得下限頻率約為20Hz，上限頻率約為2．3MHz。引入級(jí)間反饋后，由圖5(b)可得，中頻電壓放大倍數(shù)20lg‖約為20dB，下限頻率約為7Hz，上限頻率約為18M Hz?？梢?jiàn)，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，中頻電壓放大倍數(shù)下降，但下限頻率減小，上限頻率增大，故展寬了總的通頻帶。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文首先介紹了Multisim10仿真軟件的功能特點(diǎn)，然后詳細(xì)說(shuō)明了Multisim10仿真軟件在負(fù)反饋放大電路中的應(yīng)用，從仿真結(jié)果看出，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致。運(yùn)用Multisim10進(jìn)行模擬電子技術(shù)的輔助教學(xué)，不僅使得教學(xué)更生動(dòng)、形象，提高了教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生的興趣，而且能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，同時(shí)在課余時(shí)間學(xué)生可以運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可以任意修改元件的參數(shù)，并通過(guò)反復(fù)修改來(lái)達(dá)到最佳的電路設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。