Multisim 仿真軟件在電子設(shè)計改革中的應(yīng)用

◆王曉明 沈明新

作者：王曉明，遼寧科技大學(xué)電子與信息學(xué)院高級工程師，研究方向控制理論與控制工程；沈明新，遼寧科技大學(xué)電子與信息學(xué)院副教授，研究方向控制理論與控制工程（114044）。

1 引言

Multisim 軟件是一種功能強大且易于使用的電子電路仿真軟件。該軟件可以對電路進行各種分析，如直流工作點分析、交流特性分析、傅立葉分析、失真度分析、暫態(tài)分析、噪聲分析、靈敏度分析、零與極點分析、傳輸函數(shù)分析、最壞情況分析；可以進行直流掃描、溫度掃描、參數(shù)掃描；可以對模擬電路、數(shù)字電路、模擬/數(shù)字混合電路進行仿真實驗。它克服了傳統(tǒng)的電子設(shè)計工作條件的限制及實驗室工作環(huán)境制約，為用戶提供了一個良好的虛擬實驗環(huán)境，從建立電路開始到仿真分析及結(jié)果輸出，都可以在電腦上獨立完成，仿真手段完全模擬真實的實驗環(huán)境，電子元器件和實驗儀器的選用與實際情況基本相近，并且界面直觀、可視[1-3]。在繪制電路圖時，Multisim 所需的電子元器件、儀器儀表等都是以圖標(biāo)的形式出現(xiàn)，選取及使用非常方便，自己還可以建立并擴充元器件。對電路可以設(shè)置一定故障，如開路、短路及漏電等，對不同電路的故障狀態(tài)進行仿真并觀察分析，從而加深對電路原理的理解。

利用Multisim 電路仿真軟件對電路進行設(shè)計，可以實現(xiàn)設(shè)計與實驗同步進行，在設(shè)計電路時修改調(diào)試非常方便。仿真軟件最大的好處就是在做實驗時不消耗實際的電子元器件及電子儀器，實驗成本低、效率高、速度快。這樣就可以把成功的仿真實驗電路直接變成產(chǎn)品使用，大大縮短開發(fā)的時間及周期[4-6]。

2 Multisim 在電路實驗中的應(yīng)用

例1：反相輸入全波精密整流電路設(shè)計與仿真 在半波精密整流電路的基礎(chǔ)上，增加一個加法器，讓輸入信號的另一個極性電壓不經(jīng)整流，直接送到加法器，與來自整流電路的輸出電壓相加，便構(gòu)成全波精密整流電路[7]，如圖1 所示。

當(dāng)輸入電壓ui為負(fù)半周時，運算放大電路U1輸出電壓U01＞0，D2導(dǎo)通，D1截止，半波精密整流輸出電壓u01=0，加法器輸出電壓為：

當(dāng)輸入電壓ui為正半周時，運算放大器U1輸出電壓U01＜0，D2截止，D1導(dǎo)通，運放U1這時變?yōu)榘氩ň苷麟娐?，其輸出電壓為?/p>

加法器輸出電壓為：

若取R1=R2=R6=R7=2R4，測u0=｜ui｜理論上全波整流電路輸出電壓的平均值U0=0.9UI（UI為輸入電壓ui的有效期）。接在輸出端的電壓表的讀數(shù)為輸出電壓的平均值，如圖2 所示。

例2：占空比可調(diào)的方波、鋸齒波發(fā)生器的電路設(shè)計與仿真 圖3 為占空比可調(diào)的方波、鋸齒波發(fā)生器電路，它由同相輸入遲滯比較器電路和充放電時間常數(shù)可調(diào)的積分電路兩部分組成。

該電路與三角波電路相比多了兩個二極管和一個可變電阻，通過接入D3、D4兩個二極管和可變電阻RP，改變?nèi)遣ǖ陌l(fā)生器電路的充電和放電時間常數(shù)，就可以調(diào)節(jié)波形的占空比，以實現(xiàn)T2≠T1（T1為鋸齒波下降時間，T2為鋸齒波上升時間）。T2時間段的積分時間常數(shù)為(R5上+RD1)C1，T1時間段的積分時間常數(shù)為(R5下+RD2)C（RD1和RD2為二極管D3和D4導(dǎo)通電阻）。若忽略D3、D4導(dǎo)通電阻，則有：

則周期為：

調(diào)節(jié)R5只會改變波形的占空比，但其周期不會改變，如圖4 所示。

例3：觸摸式延時開關(guān)設(shè)計與仿真 生活中經(jīng)常需要延時控制，如過道燈、樓梯燈等的控制，即實用方便，又節(jié)約能源。如圖5 所示是多用途延時開關(guān)的典型電路，555 定時器和R2、C1、C2組成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。通常開關(guān)是斷開的，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)端TRI 接高電平，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)，輸出端為低電平，三極管也處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器斷開，燈泡不亮。當(dāng)觸摸開關(guān)被按下時，TRI 端接地，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)進入暫穩(wěn)態(tài)，輸出端輸出高電平，三級管導(dǎo)通，繼電器通電吸合，控制觸點閉合使燈泡得電而發(fā)光。暫穩(wěn)態(tài)維持的時間由R2和C1決定，即t=1.1R2C1；經(jīng)過暫穩(wěn)態(tài)觸后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又自動返回穩(wěn)態(tài)，燈泡自動熄滅[8]。

例4：四路搶答器電路設(shè)計與仿真 如圖6 所示為四路搶答器電路圖，該電路由4D 觸發(fā)器74LS20、與非門74LS175 和555 定時器等組成。S1、S2、S3、S4為搶答器按鈕，開關(guān)為動合型，按下開關(guān)時，開關(guān)閉合；松開開關(guān)時，觸電斷開。74LS175 是4D 觸發(fā)器，其內(nèi)部有四個獨立的D 觸發(fā)器，四個觸發(fā)器的輸入端分別為D1、D2、D3、D4，輸出端為CLK 是四個D 觸發(fā)器的共同的時鐘端，CLR 為共同的清除端，當(dāng)CLR 為0 時，Q1、Q2、Q3、Q4立即為0，搶答器工作時，CLR 置于高電平，555定時器在這里作為多諧振蕩器，為D 觸發(fā)器提供時鐘脈沖信號。

工作時若無人搶答，即S1、S2、S3、S4未被按下，D1、D2、D3、D4均為低電平，在555 定時器產(chǎn)生的時鐘脈沖作用下，Q1、Q2、Q3、Q4均為低電平，所以發(fā)光二極管不亮，與非門74LS20 輸出為低電平，蜂鳴器不響。

若有人搶答，假設(shè)S1按鈕首先被按下，D1變?yōu)楦唠娖剑跁r鐘脈沖作用下，Q1立即變?yōu)楦唠娖?，對?yīng)的發(fā)光二極管立刻點亮，同時由于Q1=0，74LS20 輸出高電平，蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲。74LS20 的輸出經(jīng)74LS00 反相后變?yōu)?，將555 定時器的時鐘脈沖信號封鎖住，造成其他搶答者即使按下按鈕，74LS175 因無時鐘脈沖信號，輸出端電平不會跟隨輸入端電平發(fā)生變化，Q1的高電平狀態(tài)一直不變，從而保證S1搶答成功。在進行第二次搶答前，則由主持人按下清除按鈕，使Q1、Q2、Q3、Q4全部恢復(fù)為0，為下一次搶答做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)論

在計算機上用Multisim 搭建虛擬仿真實驗平臺，可以輕松方便地構(gòu)建各種電路，并對電路進行仿真與測試，具有投資少、維護簡單方便、現(xiàn)象直觀、結(jié)果精確、圖像精彩等特點。這種新的實驗教學(xué)方式是一種很好的電子技術(shù)實驗教學(xué)的輔助手段，為學(xué)生進行設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗提供了一個良好的平臺。在更新實驗教學(xué)方法、改善實驗教學(xué)效果、提高電子技術(shù)實驗教學(xué)質(zhì)量等方面，Multisim 虛擬仿真實驗平臺的建立對改革電子技術(shù)領(lǐng)域起著非常重要的作用。

[1]白菊蓉,張寶軍.Multisim 應(yīng)用于電路分析實驗教學(xué)的研究[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報,2006,11(1):123-125.

[2]張俊濤,陳曉莉.電路仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)實踐中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2007,24(6):83-85.

[3]黃培根,任清褒.Multisim 10 計算機虛擬仿真實驗室[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[4]黃智偉,等.基于Multisim 的電子電路計算機仿真設(shè)計與分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[5]張俊濤,陳曉莉.電路仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)實踐中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2007,24(6):83-85.

[6]余群.Multisim 進行電子電路設(shè)計的教學(xué)研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2007(10):118-120.

[7]李學(xué)明,許燕萍,徐禮明,等.模擬電子技術(shù)仿真實驗教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[8]李學(xué)明,孫東衛(wèi),高為將,等.數(shù)字電子技術(shù)仿真實驗教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.