基于Multisim 10的单管放大电路实验教学研究

王丽华, 雷治林, 梁 亮

(吉林大学 通信工程学院, 长春 130022)

0 引 言

虚拟仿真实验是提高教学效率的有效手段。Multisim 10电路仿真软件被广泛应用于电工电子实验室中, 为设计者提供了一个功能强大, 仪器齐全的虚拟电子工作平台。设计者可以利用大量的虚拟电子元器件和仪器仪表, 搭建虚拟实验室, 进行模拟电路、数字电路、自动控制等的仿真和调试[1-6]。

单管放大电路是一种基本的电子电路, 目的是为了放大输入信号, 是我校非电专业基础课《电工学》的重要内容。笔者以单管放大电路实验为例, 基于Multisim 10仿真软件进行电工电子实验研究。通过具体应用实例, 探讨虚拟仿真实验在电工电子教学中的具体应用方法, 以及虚拟仿真实验在电工电子实验教学所起到的作用。

1 实验原理

实验电路如图1所示[7], 其中C1、C2是耦合电容, 起到隔直和交流耦合作用；RP为电位器；RB1为基极偏置电阻；RC为集电极负载电阻, 它将集电极电流的变化转化为电压的变化, 以实现电压放大；UCC是直流电源, 它一方面为放大电路的输出信号提供能量, 另一方面保证集电结处于反向偏置, 以使晶体管起到放大作用； 在图1放大电路中,Ui是输入电压,Uo是输出电压。图1电路相应的微变等效电路如图2所示。

图1 共射极放大电路 图2 共射放大电路的微变等效电路 Fig.1 Common emitter amplifier circuit Fig.2 Micro-change equivalent circuit of common emitter amplifier circuit

通常情况下放大器的基本任务是不失真地将输入信号进行放大, 由于其放大性能与静态工作点的设置有直接关系, 所以要使放大器良好工作, 首先必须设置合适的静态工作点。静态工作点由下列关系确定

由此可知, 改变UCC、RC、RB其中任一参数, 静态工作点都会改变, 本实验通过改变RB改变放大器的静态工作点[7]。

2 Multisim 10在实验中的仿真分析

2.1 放大器静态工作点的设置及测量

当输入信号为0时, 确定静态工作点, 测量电路中有关的电流、电压值等。

2.1.1 滑动变阻器调至75%R

调节滑动变阻器RP, 使RP滑动指针为75%R, 令UCE调整为6 V左右, 即虚拟万用表“XMM4”读出的值为6.221 V, 选用不同的方法测量静态参数。

1) 在仿真电路中接入4个虚拟数字万用表, 将“XMM1”和“XMM2”设置成直流电流表, “XMM3”和“XMM4”设置成直流电压表, 如图3所示。打开仿真开关, 可测得基极电流IB=33.307 μA, 集电极电流IC=5.778 mA, 基极电压UBE=0.664 V, 集电极电压UCE=6.221 V, 如图4所示。

图3 静态工作点仿真电路(1) 图4 虚拟万用表测量值(1) Fig.3 Simulation circuit of work pointstatic (1) Fig.4 Value of virtual multimeter (1)

2) 直流工作点分析。依次执行仿真/分析/直流工作点分析命令, 得图5所示结果。

2.1.2 滑动变阻器调至0

调节滑动变阻器RP, 使RP滑动指针为0, 如图6所示, 打开仿真开关, 可测得,UBE=0.634 V,UCE=9.8 V, 如图7所示。直流工作点的分析结果如图8所示。

图5 直流工作点分析法所得参数(1) 图6 静态工作点仿真电路(2) Fig.5 Parameters by DC operating point Fig.6 Simulation circuit of work pointstatic (2) analysis method (1)

图7 虚拟万用表测量值(2) 图8 直流工作点分析法所得参数(2) Fig.7 Value of virtual multimeter (2) Fig.8 Parameters by DC operating point analysis method (2)

2.1.3 滑动变阻器调至100%R

调节滑动变阻器RP, 使RP滑动指针为100%R, 如图9所示, 打开仿真开关, 可测得,UBE=0.697 V,UCE=0.609 V, 如图10所示。直流工作点的分析如图11所示。

a 基极电压值 b 集电极电压值图9 静态工作点仿真电路(3) 图10 虚拟万用表测量值(3) 图11 直流工作点分析法所得参数(3)Fig.9 Simulation circuit of Fig.10 Value of virtual Fig.11 Parameters by DC operating work point static (3) multimeter (3) point analysis method (3)

2.2 放大器放大倍数的测量

图12 单管共射放大电路的仿真电路(1) 图13 输出端电压测量值 Fig.12 Simulation circuit of single-tube Fig.13 Value of output voltage common-emitter amplifier (1)

2.3 用示波器观察改变Q点对放大器输出波形的影响

2.3.1 滑动变阻器调至75%R

图14 输入和输出波形 Fig.14 Waves of input and output

如图12所示, 调节滑动变阻器RP, 使RP滑动指针为75%R, 令UCE调整为6 V左右, 用虚拟函数信号发生器在放大电路的输入端加入一个1 kHz、10 mV的正弦波信号, 打开仿真开关, 可从虚拟示波器观察到输入和输出的波形, 如图14所示。由图14可见, 输出的波形没有明显的非线性失真, 而且输入和输出的相位相反。

2.3.2 滑动变阻器调至0

单管共射放大电路的仿真电路(2)如图15所示, 调节函数信号发生器的幅值大小, 使放大器输入端加入的信号由小到大增加, 同时用示波器观察放大器输出端波形的变化情况, 直到放大器输出端的波形刚要失真为止, 此时的放大器的输出端波形应为正弦波形, 改变RB的数值, 即改变静态工作点, 调节滑动变阻器RP, 使RP滑动指针到0, 打开仿真开关, 从虚拟示波器观察输出波形, 如图16所示。

图15 单管共射放大电路的仿真电路(2) 图16 变阻器为0输出电压波形(1) Fig.15 Simulation circuit of single-tube Fig.16 Output voltage wave of 100% varistor (1) common-emitter amplifier (2)

2.3.3 滑动变阻器调至100%R

如图17所示, 调节滑动变阻器RP, 使RP滑动指针为100%R, 打开仿真开关, 从虚拟示波器观察输出电压波形如图18所示。

图17 单管共射放大电路的仿真电路(3) 图18 变阻器100%输出电压波形(2) Fig.17 Simulation circuit of single-tube Fig.18 Output wave of 100% varistor (2) common-emitter amplifier (3)

3 结 语

笔者通过对单管放大电路的虚拟仿真实验研究, 说明了虚拟仿真在电工电子教学实验中的先导优势。Multisim 10仿真软件能满足在实验教学过程中对测试数据及波形的要求。操作过程与在实验室做实验相同, 测量数据、波形和特性曲线与在真实仪器上得到相同结果, 运行环境逼真, Multisim 10同时提供了多种电路分析方法, 具有较强的仿真分析能力。为实际实验过程提供了先期预习手段, 便于操作和理解, 非常有利于培养学生的学习能力及理论联系实际的能力。