模拟电路实验教学中应用仿真软件Multisim的探究

张科红

浙大城市学院信电学院 浙江杭州 310015

模拟电子技术是电类专业一门非常重要的基础课，其特点是课程知识面丰富、信息量大、抽象难学、理论与实践并重，往往是学生深入电子世界的一只“拦路虎”。[1]近年来，通过在模拟电路实验中引入仿真软件Multisim实现虚实结合，更好地激发了同学的模拟电路实验学习兴趣，对于提升同学的理论水平和分析能力起到了很好的作用。下文就如何在模拟电路实验中更好地应用仿真软件做一些交流。

1 仿真软件Multisim的功能[2-4]

仿真软件Multisim是一款电子电路仿真与设计软件，该软件具有集成的电路设计环境，通过集成SPICE内核仿真分析程序，与虚拟仪器技术相结合，搭建了一个类似真实实验的电子技术实验台。其主要特点包括：

(1)需要的元器件和仪器设备可以直接拖放到工作屏幕，操作与真实的仪器基本一致，数据、波形等都能实时展示；

(2)软件含有丰富的元器件库和测试仪器，提供了超过17000种的主流元件，还含有22种虚拟仪器，可以支持对电路进行测量；

(3)软件具有强大的仿真分析能力，提供了包括直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、直流扫描分析等18种分析方式，可以方便对电路进行多角度的深入研究。

2 Multisim应用于模拟电路实验的预习研究

目前为了更好地提升教学效果，推动翻转课堂，实现以学生为中心的教学模式，一般高校实验课的普遍做法是由学生先预习，老师简单讲解后学生再开始操作，或者有些环节是完全让学生来讲，如笔者曾经在几次实验课中尝试让学生来做主讲。良好的实验教学效果必须建立在很好的预习基础上，但很多同学的预习往往流于形式[5]。有些同学对课前预习不够重视，结果上课发现老师讲得可能比较少或者根本听不懂，严重影响了课堂的实验教学效果；还有的同学也预习了，但由于对电路原理不能很好理解，对实验数据没能做出估计，并没有起到理想的预习效果。为此，在模拟电路实验教学的首次课中引入了Multisim，通过半导体器件特性仿真实验的讲授让同学更好地学会从多角度去预习。

2.1 Multisim应用于二极管特性测试电路仿真的预习

二极管特性测试电路是模拟电路实验的入门实验，原理简单，易学易懂，“麻雀虽小，五脏俱全”。通过首次课以其为范例，多维度运用仪器测试、直流工作点分析、瞬态分析等各种常用仿真分析方法进行深入解剖，使同学学会如何预习电路。在Multisim中创建二极管特性测试电路如图1，同学可以通过器件的选择、导线的连接、各元件参数属性的修改体会实操过程，为真实实验做好准备。

图1 二极管1N4148测试电路

2.1.1 学习对电路进行静态分析

在模拟电路中，静态工作点是一个很重要的概念，如晶体管放大器不同的静态工作点可能让管子分别处于饱和、截止、正常放大等不同状态。Multisim软件中，直流工作点分析可以仿真计算电路处于静态中的各节点电压和各支路电流，在图1中，瞬态交流信号源V1的Voffset默认为0，修改其Voffset=2V，对电路进行直流工作点(DC Operating point)分析，测出的数据为V(1)=2V，V(2)=545.9mV。当然，同学也可以直接使用软件提供的直流电压表和电流表来对静态工作点进行测试。

2.1.2 学习对电路进行瞬态分析

瞬态分析是对电路进行的一种时域分析。在图1中，设置V1参数Vampl=5V，Voffset=0，Freq=1kHz，对电路进行瞬态分析，输出结果见图2，从图形中可以直观地看到，当信号源V(1)处于正半周时，V(2)几乎不变，说明此时二极管1N4148处于导通状态；当V(1)处于负半周时，V(2)与V(1)重合，说明此时二极管截止，电路中没有电流。通过移动游标尺2，可测量当V(1)=3.6V时，V(2)=567mV。这与真实实验中，利用示波器测试电路得到的图形数据是一致的，在图1中用虚拟示波器也可以得到相同的输出图形。

图2 二极管1N4148特性测试电路的瞬态分析

2.1.3 学习对电路进行交流分析

交流分析是对电路作出的一种频率分析，通过改变输入交流信号的频率，去考察电路在不同频率状态下的工作情况，进而了解电路的频率特性。在本实验中，通过设置信号源V1的交流幅度为5V，选择AC Analysis，设置start frequency=1Hz，end frequency=10GHz，扫描类型选择decade(对数扫描)，可以得到仿真波形如图3，从图中可以看出，当频率超过2MHz以上后输出V(2)开始逐渐衰减。这让学生更好地理解了二极管因结电容存在而具备的高频特性。

图3 二极管1N4148特性测试电路的交流分析

2.1.4 学习对电路进行直流扫描分析

在真实实验中，为了测量二极管1N4148的伏安特性，一般将V1改为直流电源，通过不断调整，测量多组数据，然后整理才能得到最终的电压、电流曲线。但在Multisim中，可采用直流扫描分析(DC sweep)一次性完成。选取V1作为输入变量，设置V1初始值为0V，结束值为2V，步长为0.2V，取I(D1)为输出变量，执行直流扫描就可以得到I(D1)与输入电压V1的关系。移动游标尺可以测量出各点数据，如：当V(1)=0.8V时，I(D1)=29.8uA；当V(1)=1.5V时，I(D1)=96uA，伴随电源增加，二极管电流增大。

2.1.5 学习对电路进行温度分析

电路的真实工作情况可能还受到温度的影响，但是改变温度条件不太方便，在Multisim中就可以通过温度扫描(Temperature Sweep)来进行模拟。在图1中，设置V1为交流信号源，参数与瞬态分析设置相同，取温度分别为0℃、50℃、100℃，取二极管端电压V(2)为输出对象，仿真结果通过移动游标尺，可测量出当t=122.6uS，温度为0℃时，V(2)=629mV；温度为50℃时，V(2)=527mV；温度为100℃时，V(2)=423mV；从中可以看出，随着温度的升高，二极管的导通压降在减小。

2.2 Multisim应用于OTL功放电路仿真的预习

真实操作中，OTL功率放大电路是一个相对比较复杂的电路，器件比较繁多，接线复杂，学生往往在实验中会出现电路连线错误，导线、元器件损坏，对电路的测试无从下手等情况。如果学生能充分运用前面教授的仿真分析方法，在Multisim中建立仿真电路如图4，通过对电路进行静态分析和动态分析，相信能起到事半功倍的效果。

图4 OTL功率放大电路的仿真测试

该电路从原理上来说，可以看成是两级放大电路，首先，由NPN管U2及其直流偏置电阻R8、R5、R4、R3等组成的前置共射放大级，将输入信号Ui反相放大，从U2集电极输出作为第二级放大电路的输入信号，静态工作点通过调电阻R3改变。第二级放大电路由U1、Q1组成参数对称的互补推挽功率放大电路，管子为共集电极放大状态，主要实现电流的放大。通过二极管D1、可调电阻R4改变晶体管U1、Q1之间的基极压差，使这两个管子工作在甲乙类状态，用以更好地消除交越失真。

学生在进行实验预习时，可以先进行静态调整，调节电位器R3使得图中A点电压为1/2VCC，调节电位器R4，观察电流表读数，测量三个管子U1、U2、Q1各点的静态电压，确保其正常放大。然后再进行动态测试，加入输入信号V1，通过瞬态分析观察放大管子U2是否有正常反相放大信号，观察负载端是否有相应的波形输出。通过改变信号源的幅度，在输出端即可得到最大不失真电压UO，求取放大倍数、最大输出功率POM、效率、灵敏度、噪声等指标，通过交流分析还能测量电路的频率响应情况等。

通过课前的这些仿真测试，学生对实验电路各个点的输出波形及数据有了大致的了解，对电路原理有了更清楚的认知，做实验时就能胸有成竹，大大提高效率。

3 Multisim应用于设计性任务

学以致用，通过一系列设计性实验任务训练，促进理论联系实践，可以提高学生的综合实验能力和解决工程实践问题的能力，更好地培养学生创新能力。[6]Multisim由于仿真结果的实时性以及修改的便捷性，也可以很好地应用于设计性任务，课程组主要从三个维度来将Multisim与设计性任务相结合：

(1)应用Mulitisim开展课堂小测验。这种设计性任务一般难度不要很高，主要目标是检测同学是否已掌握当次电路实验知识，能否做到活学活用。例如，在集成运算放大器的信号运算电路实验完成后，就可以布置一个多信号的运算电路设计任务，要求同学课上完成UO=U1+3U2-4U3，其中电源12V，输入阻抗Ri不小于10kΩ，完成输出结果展示，波形要求不失真。这种小测验可以计入当次成绩，更好地促进学习。

(2)应用Multisim开展虚拟电子设计竞赛。电子设计大赛是各高校重点关注的A类赛事，一般时间周期长，硬件成本高，学生的参与面非常有限。虚拟电子设计大赛学生在指定时间内对电路设计任务进行分析，通过提交仿真电路及报告以供评判，时间相对短，可以方便大量参与，既能够帮助进行初步的选拔，也能更好地激发学生对于电子技术实验的兴趣。

(3)应用Multisim开展开放性课题设计。开放性课题设计往往难度稍高，涉及各单元电路知识的综合应用。学生通过将设计任务进行模块分解，充分应用Multisim进行各模块电路的仿真分析，对于涉及传感器的可以选用相应的信号源代替模拟，最终完成整体电路的联调设计。

结语

通过将Multisim应用于模拟电路实验，以二极管特性测试电路、OTL功放电路等为例,构建虚拟实验仿真平台，通过直流工作点分析、交流分析、瞬态分析等多角度对电路进行深入剖析，实验结果直观可见，加深同学对电路理论知识的理解，减少了器件的损坏，可以很好地帮助开展实验预习工作，促进设计性实验的开展，提高学生的动手能力和创新意识。