Multisim在数模电实验教学中的应用

蒋先伟，王菲菲，杨 金，范程华，鲁世斌

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)



Multisim在数模电实验教学中的应用

蒋先伟，王菲菲，杨 金，范程华，鲁世斌

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)

文中介绍了Multisim12仿真软件的功能和特点，通过叠加定理、单管共射放大电路分析、二十九进制计数器仿真分析这三个典型的数模电实验，阐述了Multisim12在数模电实验教学中的使用方法。结果表明，Multisim12仿真软件可以使学生加深对数模电实验的理解，可以进一步提高实验教学质量。

Multisim12 ；实验教学；仿真分析

1 引言

电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础是高等学校电子信息工程、通信工程、微电子科学与技术、电气工程及其自动化等专业十分重要的专业基础课程，这些课程具有很强的工程实践性。学生不仅要掌握电路的基本工作原理、分析方法，对于工科学生来说，更为重要的是培养电路设计及其实际应用的能力。随着集成电路技术和计算机技术的发展，各种新型电子器件、产品不断出现，而在实验教学中，不可能实现器件的飞速更新，这势必影响到实验的教学效果。EDA(电子设计自动化)软件的出现，刚好解决了这些问题。Multisim电子仿真软件具有完整的电路系统设计及仿真功能、虚拟仪表及分析功能。通过Multisim软件，构建和设计各种电路，并用仪器仪表如万用表、示波器、频率计等来判断电路的可行性与结果，可以加深学生对所学理论知识的理解。同时，可以利用该软件来实现综合性实验，这是实验室仅有的仪器设备所无法比拟的，由于其直观形象，大大促进了学生的学习兴趣。因此，将Multisim软件与传统的数模电实验课程教学方式相结合，有利于学生对电路综合能力和专业素质的提高。

2 Multisim12简介

NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件[1]。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。该软件包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim12具有以下主要特点[2]：

(1)直观的图像界面，整个操作界面就像一个电子实验工作台。绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，使用起来非常方便。

(2)丰富的元件库：Multisim主元件库提供了17000多种电路元件，包括基本元件、显示管、集成电路元件；同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，也可以创建自己的元器件。

(3)完备的分析功能：Multisim提供了多种分析功能，包括直流工作点、交流分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、瞬态分析、傅里叶分析、温度扫描分析、蒙特卡罗分析、最差情况分析、线宽分析、批处理分析、传递函数分析等和用户自定义分析。

(4) 强大的仿真能力：以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

(5)独特的射频(RF)模块：提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific(射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型)、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器(Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪)、一些RF-specific分析(电路特性、匹配网络单元、噪声系数)等组成。

(6)强大的MCU模块：支持4种类型的单片机芯片，支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码，并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。

3 Multisim12在数模电实验教学中的应用

Multisim在教学中表现出来的突出优点是直观形象，改变电路中的参数或者元件，结果就会直观的展现在学生面前。通过软件仿真可以扩展实验的深度和广度，为制作实物提供可靠的理论依据和设计方案，打破了时间和空间的限制，学生只要有一台电脑，即可在不同时间、地点自主的学习，有效的提高了学习效率[3]。

3.1 叠加定理验证分析

叠加定理是线性电路的基本特性，它可以将一个具有多电源的复杂网络等效变换为若干个单电源或数个电源的简单网络，简化了电路的复杂性。通过Multisim对总体电路和单个电源作用的电路进行仿真，验证叠加定理的正确性。图1是Multisim界面下电路实验中的叠加定理电路图。图中有两个电压源共同作用于电路，在每个电阻两侧并联万用表，可以测出两端的电压，或者点击Simulate菜单下Analyses，选择DC operating point，添加所需的节点和支路进行分析，可以得出相应的电压以及电流。

图1 叠加定理电路

为了验证叠加定理的正确性，首先仿真出总体电路中相应的节点电压和支路电流，如图1(b)所示。接下来，按照相同的操作方法，仿真分析了12V和6V电压源单独作用时各节点电压和支路电流的大小，如图2、3所示。

图2 12V电压源单独作用时的电路

图3 6V电压源单独作用时的电路

为阐述方便，图1(b)中的电流电压用I、U表示，图2(b)中的电流电压用I1、U1表示，图3(b)中的电流电压用I2、U2来表示。由上述结果计算可知：I(R1)= I1(R1)+ I2(R1)，I(R2)= I1(R2)+ I2(R2)，I(R3)= I1(R3)+ I2(R3)，I(R4)= I1(R4)+ I2(R4)，U(1)= U1(1)+ U2(1)，U(2)= U1(2)+ U2(1)(图3(a)中的1和2是同一节点)，U(3)= U1(3)+ U2(3)，U(5)= U1(5)+ U2(5)， U(6)= U1(5)+ U2(6) (图2(a)中的5和6是同一节点)。由此，仿真结果验证了叠加定理的正确性。

3.2 单管共射放大电路仿真分析

晶体管共射放大电路实验，是模电实验中较难的实验项目之一。由于晶体管工作既需要直流电源，又需要交流小信号，不少学生对此比较混乱，遇到问题时往往会束手无策。为此，通过Multisim仿真平台，可以要求学生对照单管共射放大电路，先进行电路搭建，对电路进行静态工作点的调试，最后在输入端加上交流小信号，观察其输出波形与静态工作点位置之间的关系。单管共射放大电路如图4所示。

图4 晶体管放大电路原理图

晶体管若实现对信号的正常放大，必须工作在放大区，因此需要设置合适的工作点，在晶体管的发射级加上万用表，调节滑动变阻器的触头，使得发射级电压UE=2V，对放大电路进行静态直流分析，得出晶体管三级电压如图5(a)所示，UCE= 5.21V，UBE= 0.79V， 满足UBE>Uon，UCE>UBE的放大条件。在晶体管的输入端加上交流小信号，将双踪示波器分别接至电路的输入输出端，并设置相应通道的参数，观察其波形如图5(b)所示，表明该情况下是正常的放大功能。

图5 放大区

改变滑动触头的位置，即改变基极电阻的大小，当RW非常小时，对电路进行静态直流分析，得出晶体管三个极的电位如图6(a)所示，UCE= 0.089V，UBE= 0.81V，由此表明，此时晶体管发射结正向偏置、集电结正向偏置，所以在该电路中晶体管工作在饱和区。当输入端加上交流小信号后，得出其输入输出波形如图6(b)所示，波形发生了底部失真，原因即是晶体管工作在饱和区。

图6 饱和区

图7 截止区

在放大电路的基础上增大基极电阻RW的阻值，对电路进行静态直流分析，得出晶体管三个极的电位如图7(a)所示，UCE=10V，UBE= 0.76V，此时晶体管的静态工作点靠近截止区。在输入端加上交流小信号，得出其输入输出波形如图6(b)所示，波形发生了顶部失真，原因即是静态工作点设置不合理，落在了近截止区的位置。

分析上述三种情况，发现改变基极电阻，会使静态工作点发生变化，导致输出波形发生了失真，除此之外，学生可以通过改变晶体管的β值，来观察放大状态下，波形大小发生的变化。

3.3 二十九进制计算器仿真分析

图8 二十九进制计数器

从本例中，可以看出，只要搭建好电路，在这里可以得出100进制，在此基础上只需要改变不同的译码状态即可得到不同进制的计算器，简单明了，又形象生动。改变计数脉冲的频率，计数的速度也随之发生变化。

4 结束语

Multisim仿真软件应用到实验教学中，可弥补实验室条件的不足，有着传统实验教学不可比拟的优势。利用Multisim软件不仅可以对实验教学内容进行电路仿真，而且可以深入研究实验课程中因条件不足无法开设的实验，对降低实验成本，改善教学效果起到很大的促进作用，同时，其直观的实验结果，能够加深学生对理论知识的理解，激发学生对数模电实验课程的学习兴趣，可以有效提高实验教学质量。

[1] 李良荣.现代电子技术：基于Multisim7&Ultiboard[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[2] 古良玲, 王玉菡.电子技术实验与Multisim12仿真[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015.

[3] 王尔申, 李轩, 王相海等. 基于Multisim的电子及工业电子学课程仿真实验设计[J].实验技术与管理， 2014, 31(10):128-140.

[4] 阎石. 数字电子技术基础(第五版)[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.

2016-08-25

2014年校级教学研究一般项目(2014yj24)；电子工程示范教研室(2013syjys10)；2016年安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2016A574)资助

蒋先伟(1983-)，女，安徽五河人，讲师，研究方向：集成电路设计。

G61

B

1674-2273(2016)06-0068-05