基于Multisim的现代电子设计技术

狄 京，许燕青，周一恒，马草原

(中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221116)

基于Multisim的现代电子设计技术

狄 京，许燕青，周一恒，马草原

(中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221116)

利用现代电子设计工具Multisim软件的仿真和分析功能， 把课堂教学、实践教学与科学研究有机结合起来，使学生在充分掌握课堂理论知识的基础上，了解和掌握先进的科学研究方法和设计技术，对培养具有分析问题能力、工程实践能力及创新意识的高级技术人才有着重要的意义。

现代电子；设计技术；Multisim软件；仿真

模拟电子技术课程一直由理论教学、实验教学和课程设计等环节构成，而科学技术的研究方法涉及很少。随着科学技术的不断发展，高新技术不断涌现，模拟电子技术课程的教学已不再是仅仅要求学生掌握电子线路的基本理论和计算方法，更重要的是培养学生对电子线路的设计、分析和创新。因此，作为模拟电子技术课程教学中十分重要的实验教学，要与时俱进地跟上电子技术的发展，要改进实验内容、实验方法和实验手段，引入包括Multisim软件在内的先进的现代电子设计工具，把课堂教学、实践教学与科学研究有机地结合起来，使学生了解和掌握先进的科学研究方法和设计技术。这样才能培养出符合社会需求并具有创新意识的高级人才[1]。

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司于2001年推出的专门用于电子电路仿真和设计的软件。它以直观的图形界面、庞大的元器件库、丰富的测试仪器、完备的分析手段和强大的仿真能力，提供了一个非常优秀的电子技术设计工作平台[2 ]。

1 Multisim在仪用放大器电路中的设计与分析

1.1 具有差动输入前置放大级仪用放大电路的设计

在精密的数据采集场合，常常采用仪用放大器。仪用放大器是一种具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比的高增益、直流耦合放大器。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧姆。运算放大器的闭环增益由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。而仪用放大器使用一个内部反馈电阻网络，与其信号输入端隔离。对仪用放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离[3]。

对电子测量电路的仪用放大器，其输入信号的最大幅度可能仅有几毫伏，而共模噪声电平可能高达几伏，所以仪用放大器的输入漂移、噪声抑制和共模抑制比对放大器动态性能的影响至关重要。被测信号源的内阻无法控制，而信号内阻的变化可能使放大器的两个输入端分别到地的电阻失配(即不满足平衡条件)。这种失配除了造成增益变化外，还可能导致共模抑制比下降。运算放大器搭建的具有差动输入前置放大级仪用放大电路，如图1所示。

图1 差动输入前置放大级仪用放大电路

电压放大倍数Av由下式决定：

Av=((R3+2R1)/R3)(R2/R6)

式中：R1=R4；R2=R5；R6=R7。

补偿差模输入阻抗失配的有效方法是：提高放大器两个输入端的输入阻抗。为了提高输入阻抗和降低失调电压漂移，图1中A1和A2是差模输入和差模输出的交叉耦合前置放大器。若把A1和A2视为各自具有一定反馈电阻的同相比例运算电路，电路中R3为A1和A2的公用电阻且不接地。由于Al、A2工作于线性状态，其同相、反相输入端具有“虚短”特性，因此共模信号在R3两端的电位相等，即R3上没有共模电流，所以，A1和A2对共模信号的电压放大倍数仅为+1。差模信号可在R3两端产生压降，其电压放大倍数为l+2R1/R3(因R1=R4)。

由上述分析可知，该前置放大电路具有以下显著特点：

1)前置放大电路对信噪比具有改善作用。因电路对差模信号具有较大的放大作用，其增益远大于共模分量(噪声)。

3)该前置放大级对共模输入信号没有放大作用，即对温漂信号或噪声没有放大作用[5]。

1.2 仪用放大电路的仿真与分析

图2是由Multisim创建的仪用放大器实验仿真测试电路[6]。电路参数设定后，其电压放大倍数由下式决定：

代入数值得到：Av=-41。

当输入信号Vi=4 mV时，数字万用表的读数为-162.235 2 mV，这时电压放大倍数Av为-40.558 8。

当调节电位器R3时，电压放大倍数Av随着改变。输入为微变的交流信号时，用虚拟示波器可观测输入和输出信号的波形，如图3所示。

Multisim具有十几种强大的分析功能。我们首先进行电路的基本分析——直流工作点分析(Dc operating point analysis)。

启动Multisim，首先，将菜单Options(选项)中的sheet properlies(工作台界面设置)打开，将电路的节点显示在电路图上；然后，在菜单simulate(仿真)analyses(分析)栏内选定Dc Operating Point Analysis(直流工作点分析)并打开。

图2 仪用放大器仿真电路

图3 仪用放大电路的输入/输出波形

由仿真分析结果可以看出，输出电压VO(V9)=-162.235 26 mV，输入电压Vi(V6-V7)=4 mV，得到电压放大倍数Av=-40.558 8。

由以上测试可知，采用仿真分析功能，使学生对电路的分析更丰富直观，其得出的结论更加满足理论值论证和接近实践性。

1.3 仪用放大电路的应用

仪用放大器在数据采集、医用仪器、监测和控制电子设备以及高速信号调理等科学技术研究领域都有着广泛的应用。而仪用放大器的主要用途是放大噪声环境中传感器输出的弱信号。对温度传感器或压力传感器信号的放大是常见的仪用放大器应用。

图4是一个电桥前置电路，是一种典型的电阻型温度检测器(RTD)的温度测量仪表放大器。

当电桥电阻器阻值R14(温度传感器)发生变化时，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生一个差分的电压变化。该电桥的信号输出就是差分电压，将其直接连接到仪用放大器的输入端。其主要作用是有效地抑制出现在电桥两个输出端的DC共模电压，同时放大了非常微弱的电桥信号电压。

图4 温度测量仪用放大器

利用Multisim的高级分析功能———温度扫描分析(temperature sweep analysis)对电路进行温度扫描分析。

先确定电路中需要分析的节点和元件，电路选择电阻器R14，实际电路中为温度传感器。在菜单simulate(仿真)中analyses(分析)栏内选定 Temperature sweep(温度扫描分析)并打开。修改对话框中的分析参数设置。Start(起始值)：27 ℃ ；Stop(终值)：40 ℃ ；Increment(增量)：0.5 ℃； 按“Simulate”键开始运行，观察在不同温度条件下温度传感器(电位器R14)每次取不同的温度值的电路特性。

在温度检测仪用放大电路中，若需要对放大器的高输入(输出)阻抗及高共模抑制比进行分析测量，则采用Multisim的另一高级分析功能“传递函数分析”，对电路的输入和输出阻抗进行分析计算。

如果利用Multisim的统计分析方法(最坏情况分析)，可以使我们在模拟电路、直流和小信号电路的分析中观察到在元件参数变化时，电路特性变化的最坏可能性，也就是在对电路的分析测试过程中所出现的故障进行最坏情况分析，进而解决工程实践当中的实际问题。

在实际测试电路中，运放A1和A2的选取原则是：失调电压小、漂移低和输入偏流小，并要求A1、A2的参数匹配，以提高共模抑制比。后级运放A3的选择应是：具有优良的共模抑制性能，满足输出端的电流、电压或功率的要求。

2 结束语

在对电路进行Multisim仿真分析时，其测试条件是理想化的，无任何干扰和限制。而电子技术设计过程的实际测试环境是错综复杂的，外界的干扰因素(如环境温度、电磁场干扰等)，实际测试仪器(精确度、准确度和量程范围等)的限制，都会对电路的实际性能指标及参数测试造成影响，使测量结果具有一定的误差。所以，在对实际电子线路进行设计时，要综合考虑具体性能指标及参数设置，使仿真效果尽量接近实际。在保证电路功能、性能的前提下，快速准确地进行电路性能分析和测试，提高设计效率和质量。实践表明，把具有强大仿真分析功能的Multisim应用到教学和工程实践当中， 效果是明显的，不仅培养了学生的实践能力，而且拓展了学生创新思维，有效地提高了学生对电子技术设计的认知能力。

[1]张伟珊. Multisim 7 在模拟电路实验教学改革中的应用[J].现代电子设计技术，2008(16)：3-5.

[2]彭延峰，刘习春，彭志华.用Multisim 分析二阶低通滤波器电路[J].现代电子技术，2008(17)：156-158.

[3]Charles Kitchin，Lew Counts.A design’s guide to instrumentation amplifiers[M].2nd ed.USA: Analog Devises，Inc., 2004.

[4] 耿素军. 智能化传感器中应用仪表放大器的电路设计[J]. 电气电子教学学报， 2004， 26(4): 19-21.

[5]宋家友.集成电子线路设计手册[M].福州：福建科学技术出版社，2002.

[6] 李忠坡.袁宏.电子设计与仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

Modern Electronic Design Technology Based on Multisim

DI Jing, XU Yanqing, ZHOU Yiheng, MA Caoyuan

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper organically combines with classroom teaching, practical teaching and scientific research by using the simulation and analysis function of modern electronic design tools Multisim. It will help the students to know about and acquire advanced scientific research methods and design technology which on the basis of fully accessing to the theoretical knowledge. And it is quite significant for senior technical people to improve the parsing problem ability, engineering practice ability and innovation ability.

modern electronic; design technology; Multisim software; simulation

2014-06-23；修改日期: 2014-07-30

狄 京(1957-)，男，学士，高级实验师，研究方向：模拟电子技术，电子工艺技术。

TP391.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.019