NI Multisim 11.0中函数信号发生器的使用

张 玲 杨晓雷

NI Multisim 11.0是美国国家仪器有限公司(National Instruments，简称NI)推出的以Windows为基础的一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件，用户界面友好，简单易用，提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图及文件管理功能。Multisim 11.0提供的直观图形化环境可使学生快速放置基本组件，帮助他们掌握电路基础概念和理论。更重要的是，Multisim 11.0包含丰富的元器件，并将安捷伦测试仪器引入虚拟仪器中，使用户在使用Multisim 11.0时能产生身临其境的感觉。

一、NI Multisim 11.0中函数信号发生器的种类和功能

1.NI Multisim 11.0中函数信号发生器的种类

NI Multisim 11.0中提供了20多种在电工电子电路分析中常用的仪器仪表，其中的函数信号发生器有2种，一种是虚拟函数信号发生器，打开NI Multisim 11.0软件后，单击仿真/仪器/函数信号发生器后，有一个函数信号发生器的虚影随鼠标移动，在电路窗口相应位置单击鼠标，完成虚拟仪器的放置，得到如图1a所示的函数信号发生器图标，双击该图标，便可以得到如图1b所示的函数信号发生器的参数设置控制面板。也可以直接从整个工作界面最右侧的仪表工具栏单击拖拽到电路工作窗口。

图1 虚拟函数信号发生器

另一种是仿真安捷伦(Agilent)函数信号发生器，图2a所示是安捷伦函数信号发生器的图标，图2b所示是安捷伦33120A型函数信号发生器内部参数设置控制面板。

图2 仿真安捷伦函数信号发生器

2.函数信号发生器的功能

函数信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波、射频和微波等)信号，频率范围可从几微赫到几十兆赫，函数信号发生器在电路实验、信号测试、调整电子电路及设备时具有十分广泛的用途，都要求提供符合所规定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，需要能够产生高频的振荡器。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

二、虚拟函数信号发生器的使用

1.控制面板的各部分功能

NI Multisim 11.0仿真软件中提供的虚拟函数信号发生器的外观和操作与实际函数信号发生器相似，可以提供正弦波、三角波、矩形波(方波)。虚拟函数信号发生器控制面板上各功能区如图3所示。

图3 虚拟函数信号发生器控制面板功能区

波形选择区：用于选择输出波形，分别为正弦波、三角波、矩形波。

频率设置：用于设置输出信号的频率，可选范围1 fHz～1 000 THz。

占空比设置：用于设置输出的三角波和方波电压信号的占空比，设定范围1%～99%。

振幅设置：用于设置输出信号的峰值，可选范围1 fVp～1 000 TVp。

偏移设置：用于设置输出信号的偏置电压，即设置输出信号中直流成分的大小。

设置上升/下降时间：用来设置方波的上升沿与下降沿的时间。

+，－，公共端：分别表示波形电压信号的正极性输出端、负极性输出端、公共端。从“+，公共”端子输出的正极性信号；从“－，公共”端子输出的负极性信号；从“+，－”端子输出信号幅值是单极性信号幅值的两倍；同时连接“+，公共，－”端子，“公共”端子作为公共地端，此时输出两个幅值相等、极性相反的信号。

在仿真过程中，要改变输出波形的类型、大小、占空比或偏置电压时，必须先暂时关闭工作界面上的仿真开关，在对上述内容改变后，再启动仿真开关，函数信号发生器才能按新设置的数据输出信号波形。

2.虚拟函数信号发生器的应用举例

(1)频率、幅值的设置与测量

按图4a所示连接虚拟仪器，并设置虚拟函数信号发生器XFG1的有关参数(如图4b所示)。通过控制面板的波形选择区选择正弦波信号，在输出信号的频率设置区设置频率的大小和单位，假如设置为50 Hz，在信号幅度设置区设置输出电压的幅值为10 Vp，其有效值为

图4 虚拟函数信号发生器的连接及设置

XMM1是虚拟万用表，选择测量正弦交流电压，测量结果是被测电压的有效值；XFC1是频率计。分别双击XMM1，XFC1的图标，运行仿真，可以观察到XMM1和XFC1的读数分别是7.071 V和50 Hz，与函数信号发生器设置输出信号电压的参数相同(如图5所示)。

图5 虚拟函数信号发生器输出信号的测量结果

(2)信号极性和幅值的观察与测量

①按图6a所示连接示波器XSC1，虚拟函数信号发生器的设置不变，从“+，公共端”输出的电压信号送到示波器的A通道，比例是5 V/Div(如图6b所示)，从示波器观察其波形，并测出其幅值是10 V。

图6 虚拟函数信号发生器的连接及输出波形

②按图7所示连接示波器XSC1，虚拟函数信号发生器的设置不变，从“+，－”端输出的电压信号送到示波器A通道，比例是10 V/Div，从示波器观察其波形，并测出其幅值是20 V，即从“+，－”端输出的信号幅值是单极性信号幅值的两倍。

图7 虚拟信号发生器与示波器的连接及输出波形

③按图8所示同时连接“+，公共，－”端子，“公共”端子作为公共地端，分别送到示波器的A，B通道，此时输出两个幅值相等极性相反的信号。

图8 虚拟信号发生器分别输出单极性信号及波形

(3)微分电路和积分电路

①RC微分电路由电阻R1和电容C1串联组成，电路的时间常数满足τ=RC≪T，电阻R1两端的电压作为输出电压。其中，由虚拟函数信号发生器XFG1提供可调的方波信号占空比q=50%、幅值Um=±10 V、频率1 kHz(周期0.001 S)，用双踪示波器XSC1来观测输入矩形波与电阻两端输出的电压u的波形(如图9所示)。

图9 RC微分电路仿真测试图及波形

②RC积分电路由电阻R1和电容C1串联组成，电路的时间常数满足τ=RC≫T，把电容C1两端的电压作为输出电压(如图10所示)。其中，由函数信号发生器XFG1提供可调的方波信号的占空比q=50%、幅值Um=±10 V、频率1 kHz(周期0．001 S)，双踪示波器XSC1用于观测输入信号及电阻两端电压u的波形(如图10所示)。

图10 RC积分电路仿真测试图及波形

三、仿真安捷伦函数信号发生器的使用

仿真安捷伦函数信号发生器由于功能多，操作比较复杂，其面板各按钮、旋钮和输入、输出端口等的设计和实物安捷伦函数信号发生器面板一模一样，这使我们坐在电脑前就能享受到在实验室操作高级仪器的愉悦，且无损坏仪器的担忧。它的型号是Agilent33120A，频宽为15 MHz，不仅能产生一般的正弦波、方波、三角波和锯齿波，而且还能产生按指上升或下降的波形等特殊波形以及由8～256点描述的任意波形。

1.控制面板各区域的功能

整个控制面板可以分为上下两个部分，上部是显示屏和调节旋钮(如图11所示)。显示屏主要用来显示数字、单位、信号的种类、功能键信息等；调节旋钮主要用来进行大范围单位大小的改变或连续快速调节频率、幅值等，用鼠标按住调节旋钮作调整时，顺时针增大，逆时针减小。

图11 仿真安捷伦函数信号发生器的显示屏和调节旋钮

下部是电源开关、功能按键、信号输出端等(如图12所示)。

图12 仿真安捷伦函数信号发生器的功能按键和输出端

(1)电源开关

单击它可以使仪器接通电源，信号发生器开始工作，再次单击，电源关闭，信号发生器停止工作。

(2)Shift键

功能切换键，单击它显示器上会出现Shift，此时面板上按键上方的功能起作用。

(3)功能/调制键

(9)信号输出端

上方标有“SYNC”为同步信号输出端，下方标有“50 Ω”为50 Ω匹配输出端，也是普通信号输出端。在电路连接图标仅有两个接线端，应用时只需将其中的一端与电路的输入端连接即可，其公共端默认连接。

2.在RLC串联谐振电路实验中的应用

串联谐振电路的实验是电工技术中非常重要的一个实验，通过实验来测定谐振电路的电压或电流，寻找谐振频率，验证谐振电路的特点，从而加深理解串联谐振电路频率特性和电路品质因数的物理意义，进一步掌握几种常用电子仪器的使用方法。传统电工技术教学中使用实际的仪器、电子元器件和设备，操作起来比较麻烦，如果使用Multisim 11.0仿真软件进行实验，将会取得明显的教学效果。

利用Multisim 11.0仿真软件建立如图13所示的电路，其中XFG1为安捷伦函数信号发生器，用来产生所需要的正弦波信号，并且频率可以在一定范围内任意调节；XMM1为万用表，用来测量电阻R1两端的电压，当电路发生谐振时，万用表读取的电压值最大。

图13 RLC串联谐振电路及仪器连接图

(1)寻找谐振频率

①根据理论计算可知，该电路的谐振频率

②按图13连接电路，双击XFG1图标，出现控制面板，单击电源开关(Power)，将安捷伦函数信号发生器输出信号选择为“正弦波”，输出电压的峰―峰值调至10 Vpp(如图14所示)，其有效值为并在实验过程中一直保持该电压不变。

图14 仿真安捷伦函数信号发生器输出电压的峰―峰值

③由低到高调节输出信号的频率(可以从2 kHz开始逐步增大)，同时观察万用表XMM1的读数变化，可以发现，万用表XMM1的读数逐渐增大，当增大到3.535 V后又开始逐渐减小，微调使万用表XMM2，XMM3的读数相同，此时电路处于谐振状态，函数信号发生器的输出频率(显示的5.031 6 kHz)即为谐振频率(如图15所示)，也就是说，测量的谐振频率f0=5.031 6 kHz。

图15 RLC串联谐振电路的谐振频率值

谐振时，电阻R1两端的电压是3.535 V，也等于函数信号发生器输出电压的有效值，电感L1和电容C1两端的电压都是33.709 V(如图16所示)。

图16 谐振时R1，L1，C1两端的电压

(2)谐振电路的品质因数

根据测量的电压值，电路的品质因数

根据电路的参数，理论计算得到

测量结果与理论计算基本相符，这也说明了测量的准确性。

如果保持信号发生器的输入电压和电路中的L，C的值不变，调节频率大小，可以分别测出不同阻值时电压或电流的变化，根据测量的频率、电压或电流的数值，利用Excel中“图表向导”构建图像，可以画出谐振曲线。通过比较曲线的变化，可以理解品质因数Q值的意义。也可以根据串联谐振电路电压与电流相位相同的特点，利用示波器观察李沙育图形来寻找谐振频率。

四、结束语

使用Multisim 11.0仿真软件中的函数信号发生器，可以完成电工电子技术中的很多实验。利用Multisim 11.0仿真软件中虚拟函数信号发生器和仿真安捷伦函数信号发生器强大的功能，可以节省实验资源。通过实验，学生加深了对电路基本知识和基本规律的理解，而且通过操作仿真安捷伦函数信号发生器的控制面板，逐步掌握了函数信号发生器的使用方法，为使用实际函数信号发生器打下良好的基础。

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