基于Multisim的传感器课程应用研究

白冲冲 张凡

摘要：分析了Multisim软件的特点和优势，提出将其引入传感器类课程的仿真实验教学中。针对传统仿真实验课的特点，通过采用Multisim软件对PN结温度传感器实例进行建模仿真，介绍了Multisim软件在辅助传感器仿真实验课程教学中的一般应用过程，有助于提高学生学习的主动性，培养学生实践操作、综合分析、开发研究和创新的能力。

关键词：Multisim软件;传感器;仿真实验;PN结

引言

进入新世纪以来随着科技技术的不断更新发展，世界上众多的计算机软件公司陆续推出专门用于电子电路及传感器技术虚拟仿真的模拟软件，给研究者们学习和分析电子技术带来了极大的便利。截至到目前被广泛应用于电子电路仿真的软件有很多，主要包括Multisim、Proteus、Protel等常用软件，这些软件各有不同优势。仿真软件中Multisim是美国NI公司推出的一款EDA软件，它为用户提供了丰富的元器件库和功能齐全的各类虚拟仪器[1]。软件提供了全面集成化的设计环境，能完成原理图设计、电路仿真分析和电路功能测试等项工作，在Multisim标准组件库中，有不少虚拟元器件和仪器的型号是与实验室现场使用的实际元器件及仪器几乎完全一致[2]。Multisim仿真软件可以让开发者在仿真过程中随意改变模型数据参数，实时观察系统数据变化，交互性好，由于是仿真软件避免了实验仪器损坏与试验材料的消耗，大大降低了研究成本，同时仿真结果接近实际实验效果，对研究开发电子电路及传感器设计有很高的参考指导价值。Multisim仿真软件有利于学生在仿真实验过程中加深对本课程基本理论、基本概念的理解与掌握，同时在使用的过程中可以减轻学生对数学推演的压力，且仿真软件能直观生动的再现实验现象及结论，能更好的调动学生学习的积极性和主动性[3]。

一、引入Mulltism仿真实例

一般传统的传感器类实验课程是学生将课堂上所掌握的传感器检测电路按照相应理论步骤在传感器试验箱上连接其测量电路，通过实验平台的测试数据与理论值进行分析总结，在实验操作过程中学生通常只能按照传感器试验箱配套的实验指导书完成相应测量电路的连接，由于所连接的传感器电路受到试验箱的限制，所连接的整个实验电路基本都是固定不变的，电路搭建所使用的电子元器件也是固定的，试验箱的这种封闭式实验操作也不允许学生随意改动和创新电路，不利于学生掌握传感器内部电路连接及学生主动学习和再次开发，同时受限于试验箱器件数量学生无法实现一些特殊类传感器的实验操作。因此鉴于试验箱操作实验的不足，我们可以在试验箱实验课之前，课堂理论教学之后，加上基于Multisim的仿真实验。学生在理论课程学习之后可利用Multisim中丰富的元器件库和虚拟仪器，可根据不同实验要求选择调整不同的虚拟仪器模拟传感器检测电路，将整个测量电路在Multisim软件中进行搭建仿真，同时还可修改其中一些器件的物理参数，最后分析对测量结果的影响，这能够促使学生们非常愿意在自主学习中将Multisim仿真电路与传统硬件实验电路相互对照，大大提升了学生们对整个传感器电路的理解掌握，同时也激发学生的学习与探索的兴趣。

以典型的PN半导体温度传感器为例：温度传感器是将温度变化量转化为电量变化量的检测装置，温度传感器包含有很多种不同类型，其中PN结温度传感器是非常典型的温度传感器。它是利用半导体二极管PN结的正向导通压降受温度影响而变化的特性研制成的一种固态温敏传感器，它具备灵敏度高、体积小、非线性小、响应速度快等特点，已经成为一种新的测温传感器应用与众多领域。一般PN结温度传感器电路主要有温敏二极管、电桥转换电路、直流电源、运放电路、电压跟随电路以及测量电路组成，工作转换过程是二极管受温度影响造成其电阻值发生变化，通过电桥电压电路将电阻变化量转变成相应电压变化值输出，运放电路和电压跟随电路分别控制电压变化值的放大输出和电压的反馈稳定，由测量电路对电压值进行测量及检测，最终实现了温度到电压信号的测量转变。只要具备合适的参杂浓度，半导体二极管反向饱和电流在一定温度范围内近似为常数，所以PN结导通电压与温度成线性关系，这样温度的变化可以转化为PN结导通电压的变化，利用这种特性可以制成半导体PN结温敏传感器。一般硅管半导体PN结温度传感器的结压降受温度影响，每升高1℃电压下降2mV，可直接采用硅晶体三极管（短接基极和集電极）或硅二极管来制成PN结温度传感器，且具备一定的线性，测温范围可达-50℃～+150℃，满足一般场合对于温度测量的需求。

二、搭建仿真模型

本次仿真采用Multisim14.0软件进行仿真，首先开启Multisim仿真软件，根据前面的理论分析搭建传感器测量各个模块仿真电路，按理论值设定仿真电路中相关元器件的参数，并利用Multisim的虚拟测量仪器记录相关实验数据，同时仿真中可选择Multisim相应虚拟仪器搭建试验箱电路，便于与实际电路作对比。传感器仿真模型包括PN传感器模块、转换电桥模块、运算放大电压转换电路及测量模块，软件搭建的仿真电路图如图1所示，该仿真电路中，将D1二极管作为PN温度传感器，二极管型号选用1N4148，D1与电阻R1、R2、R9构成传感器电压转换电路，供电电压为5V，运放电路U1A与U2A搭建了电压放大输出电路，U2A为电压跟随电路，其中运算放大器选取了在后续搭建实际电路为同学们准备的常用运放LM358A。仿真模型中各个模块初始工作温度设定值为27℃，当测定温度发生变化时，D1作为温度传感器模块温度设定值为测定温度，此时由D1与R1、R2、R9构成的电压转换电路将有不同的电压值输出，该电压值随测定温度变化而变化，然后经过电压放大电路处理后可以通过电压值大小来测定温度，最后把具体的温度变化经过处理后转变为相应的电压值变化，并选取电压测量模块XMM2来显示最终仿真结果。

在仿真过程中，学生可任意改变器件参数设置，比如二极管初始温度选择，电阻阻值的改变等来观察测量结果的变化，从而加深理解传感器内部电路中各个器件的作用原理，有利于提高学生们的学习主动性，在仿真结束后，学生们可在面包电路板上根据仿真模型灵活搭建实际电路，完成后续的实验测量。通过测量模块数据统计后得到温度与电压关系图如图2所示，其中纵坐标为电压值（V），横坐标为温度值（℃），可以看出在测量范围内传感器温度值与输出电压为线性关系，Multisim仿真电路和实际理论值基本一致。虚拟仿真消除了学生在实验过程中损坏仪器的顾虑，使同学们对仪器的使用更加自信和熟悉，反过来学生反复练习熟练使用虚拟仪器的同时也大大降低了学生由于误操作造成真实仪器损坏的可能性。在实际情况下，由于测量的温度值是不断变化的，在搭建的实际电路时还会存在电路干扰、电路接触不良等因素，最后造成测量的输出值误差较大。在实验之前先进行仿真，让同学们弄清楚电路构造，有助于同学们在实际电路检测时找出电路中的问题，例如电路连接错误和器件损坏等，进而能够更加顺利地完成实验。

三、学习效果

通过Multisim仿真实验，其仿真数据结果与理论计算值非常接近，且Multisim有丰富的元器件库可供选择，元件参数修改方便，避免了由于多次焊接而损坏器件和电路板，使电路调试变得快捷方便，也节省了实验成本。软件提供的各种丰富的元器件弥补了学生在实际电路搭建过程中元器件不足的窘迫，同时，学生对元器件的误操作软件会出现相应的提示，避免了在实际电路实验过程中对器件或仪器的损坏。传统的传感器类课程理论讲解，内容较为抽象枯燥，学生很难理解接受，学生学习积极性不高，增加仿真实验课，引入Multisim软件后，学生可在实验之前分析电路的特性，更改参数观察对电路的影响，通过仿真模型系统掌握传感器电路运行原理。仿真软件中丰富的可调器件和仪器便于学生任意调用，提高同学们动手操作的积极性，此外学生可以快速观察实验过程的各个参数变化和仿真结果，大大节省了实验时间从而提高了课程学习效率。

结束语

在引入Multisim仿真软件实验后，通过相关传感器类课程的实践，收到了很好的教学效果。仿真实验与理论课堂教学相配合，既能验证理论知识，又提高了学生的实际动手能力和学习兴趣，并且仿真实验弥补了传统实验课程的不足，能够让学生全程参与到实验电路的设计、分析和实验过程中，有利于学生实践能力、创新能力和设计开发能力的培养，也加强了教学的互动性，大大提升了学生的学习主动性和积极性。

参考文献：

[1]李良荣，李震，顾平.NI Multisim电子设计技术[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2]潘晓明，龚军，汪小燕.正确运用Multisim器件模型仿真NE5532最大输出幅值[J].实验室研究与探索，2018，37（8）：98-101.

[3]陈莉.Multisim在电路分析课程实践教学中的应用[J].电子世界，2017，（6）：60.

作者简介：

白冲冲，男，硕士，西南交通大学希望学院，研究方向：嵌入式系统，机器人控制等。