最详细最好的Multisim仿真教程.docx

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最详细最好的Multisim仿真教程

第13章MUltiSim模拟电路仿真

本章MUltiSimIO电路仿真软件，讲解使用MUltiSim进行模拟电路仿真的基本方法。

目录

1.MUltiSim软件入门

2.二极管电路

3.基本放大电路

4.差分放大电路

5.负反馈放大电路

6.集成运放信号运算和处理电路

7.互补对称（OCL）功率放大电路

&信号产生和转换电路

9.可涮式三端集成宜流稳压电源电路

13.1MUltiSim用户界面及基本操作

13.1.1MUItiSinI用户界面

在众多的EDA仿真软件中，IVIiiltisim软件界面友好、功能强大、易学易用，受到电类设计开发人员的青睐。

MUItiSim用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件。

MUItiSim来源于加拿大图像交互技术公司（InteraCtiVeImageTechnologies,简称IIT公司）推岀的以WindOWS为基础的仿真工具，原名EWB。

HT公司于1988年推出一个用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件EleCtrOniCSWOrkBCnCh（电子工作台，简称EWB）,以界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用而得到迅速推广使用。

1996年IIT推岀了EWB5.0版本，在EWB5.x版本之后，从EWB6.0版本开始,IIT对EWB进行了较大变动，名称改为MUItiSim（多功能仿真软件）。

Irr后被美国国家仪器（NI,NatiOnalInStrUlnentS）公司收购,软件更名为NlMUltiSinKMUItiSim经历了多个版本的升级，已经有MUItiSim2001XMUItiSin17XMUItiSim8XMUItiSim9、MUltiSimlO等版本，9版本之后增加了单片机和LabVIEW虚拟仪器的仿真和应用。

下面以MUItiSimIO为例介绍其基本操作。

图13.1-1是MUltiSimIO的用户界而，包括菜单栏、标准工具栏、主工具栏、虚拟仪器工具栏、元器件工具栏、仿真按钮、状态栏.电路图编辑区等组成部分。

主工具拦

图13.1-1MUltiSilnlO用户界而

菜单栏与WindOWS应用程序相似，如图13.1-2所示。

标准.匸具栏

仿

开关

∕⅛⅛仪器工具栏

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仿真和分析

单片机仿.Λ

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图13.1-2MUItiSim菜单栏

其中，OPtiOnS菜单下的GlObalPreferenCeS和ShCCtPrOPertieS可进行个性化界而设置，MUItiSimlO提供两套电气元器件符号标准：

ANSI：

美国国家标准学会，美国标准，默认为该标准，本章采用默认设置；

DIN：

徳国国家标准学会，欧洲标准，与中国符号标准一致。

工具栏是标准的WindoWS应用程序风格。

标准工具栏：

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视图工具栏：

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图13.1-3是主工具栏及按钮名称，图13.14是元器件工具栏及按钮名称，图13.1-5是虚拟仪器工具栏及仪器名称。

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使用的元為件列表

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元器件编44

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图13.1-3MUItiSim主工具栏

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图13」・4MUItiSim元器件工具栏

測⅛探针

LnbVIEw虚拟仪器

TCFrOniH示波器Agnel二示波器M二Agi一2M数字万用表加Agqm函数发生器⅛ΞE刚络分析仪頻谱分析仪搠矢⅛分析仪m•伏案⅛性分析仪isin逻轩转换仪Iult這詳分析仪\

字信号发生器數字嗾率机

伯德图仪

凹通道示波器

示波器

功率表

函数发生器

13.1∙5

项目管理器位于MUItiSimlOI作界而的左半部分.电路以分层的形式展示，主要用于层次电路的显示，3个标签为：

Hierarchy：

对不同电路的分层显示，单击“新建”按钮将生成CirCUit2电路：

Visibility：

设置是否显示电路的各种参数标识，如集成电路的引脚名；

PrOjeCtView：

显示同一电路的不同页。

13.1.2MUltiSim仿真基本操作

MUItiSimIO仿真的基本步骤为:

1.建立电路文件

2.放置元器件和仪表

3.元器件编辑

4.连线和进一步调整

5.电路仿真

6.输出分析结果

具体方式如下：

1.建立电路文件

具体建立电路文件的方法有：

•打开MllItiSimlO时自动打开空白电路文件CirCllitI,保存时可以重新命名

•菜单File/NeW

•工具栏NeW按钮

•快捷键Ctrl+N

2.放置元器件和仪表

MIlltiSimIO的元件数据库有：

主元件库（MasterDatabasc）,用户元件库（USerDatabaSe）,合作元件库（COrPOrateDatabase）,后两个库由用户或合作人创建，新安装的MUItiSimIO中这两个数据库是空的。

放苣元器件的方法有：

•菜单PIaCeCOmPOnent

•元件工具栏：

Place/COmPOnent

•在绘图区右击，利用弹出菜单放置

•快捷键Ctrl+W

放置仪表可以点击虚拟仪器工具栏相应按钮，或者使用菜单方式。

以晶体管单管共射放大电路放置+12V电源为例，点击元器件工具栏放置电源按钮（PIaCeSource）,得到如图13.1-6所示界而。

图13.1-6放置电源修改电压值为12V,如图13.1-7所示。

图13.1-7修改电压源的电压值同理，放置接地端和电阻，如图13」・8所示。

图13.1-8放置接地端

（左图）和电阻（右图）

图13.1∙9为放置了元器件和仪器仪表的效果图，其中左下角是函数信号发生器，右上角是双通道示

波器。

图13」・9放置元器件和仪器仪表

3.元器件编辑

（1）元器件参数设置

双击元器件，弹出相关对话框，选项卡包括：

•Label：

标签，RefdeS编号，由系统自动分配，可以修改，但须保证编号唯一性

•Display：

显示

•Value：

数值

•Fault：

故障设宜，Leakage漏电；ShOrt短路：

OPCn开路：

NonC无故障（默认）

•Pins：

引脚，各引脚编号、类型、电气状态

（2）元器件向导（CornPOnCntWiZard）

对特殊要求，可以用元器件向导编辑自己的元器件，一般是在已有元器件基础上进行编辑和修改。

方法是：

菜单Tools/COmPOnentWiZard,按照规定步骤编辑，用元器件向导编辑生成的元器件放置在USerDatabaSe（用户数据库）中。

4.连线和进一步调整

连线：

（1）自动连线：

单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形，移动鼠标至目标引脚或导线，单击，则连线完成，当导线连接后呈现丁字交叉时，系统自动在交叉点放节点（JUnCtion）：

（2）手动连线：

单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形后，在需要拐弯处单击，可以固迩连线的拐弯点，从而设定连线路径：

（3）关于交叉点，MultiSimIO默认丁字交叉为导通，十字交叉为不导通，对于十字交叉而希望导通的情况，可以分段连线，即先连接起点到交叉点，然后连接交叉点到终点：

也可以在已有连线上增加一个右点（JUnCtion）,从该i'j点引出新的连线，添加巧点可以使用菜单Place/JUnCtion,或者使用快捷键Ctrl+Jo

进一步调整：

<1）调整位垃：

单击选泄元件，移动至合适位置：

（2）改变标号：

双击进入属性对话框更改；

（3）显示节点编号以方便仿貞•结果输出：

菜单Options/ShCCtPrOPertieS∕Circuit∕NetNames,选择ShowAIh

（4）导线和节点删除：

右击/Delete,或者点击选中，按键盘Delete键。

图13.1-10是连线和调整后的电路图，图13.1-11是显示节点编号后的电路图。

图13.1-10连线和调整后的电路图

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（a）显示节点编号对话框

（b）显示节点编号后的电路图

图13.1-11电路图的节点编号显示

5.电路仿真

基本方法：

•按下仿真开关，电路开始工作，MUltiSim界而的状态栏右端出现仿真状态指示:

•双击虚拟仪器，进行仪器设置，获得仿真结果

图13.1-12是示波器界面，双击示波器，进行仪器设置，可以点击ReVerSe按钮将英背景反色•使用两个测量标尺，显示区给岀对应时间及该时间的电压波形幅值，也可以用测量标尺测量信号周期。

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图13.1-12示波器界而（右图为点击ReVerSe按钮将背景反色）

6.输出分析结果

使用菜单命令SilnUIate/Analyses,以上述单管共射放大电路的静态工作点分析为例，步骤如下:

•菜单SinnIlate∕Analyses∕DCOPeratingPOint

•选择输出节点1、4、5,点击ADD、SimUlate

图13.1-13静态工作点分析

13.2二极管及三极管电路

13.2.1二极管参数测试仿真实验

半导体二极管是由PN结构成的一种非线性元件。

典型的二极管伏安特性曲线可分为4个区：

死区、正向导通区、反向截止区、反向击穿区，二极管具有单向导电性、稳压特性，利用这些特性可以构成整流、限幅、钳位、稳压等功能电路。

半导体二极管正向特性参数测试电路如图13.2-1所示。

表13.2-1是正向测试的数据，从仿真数据可以看出：

二极管电阻值q不是固泄值，当二极管两端正向电压小，处于"死区”，正向电阻很大、正向电流很小，当二极管两端正向电圧超过死区电压，正向电流急剧增加，正向电阻也迅速减小，处于''正向导通区”。

图13.2-1二极管正向特性测试电路

表13.2-1二极管正向特性仿頁•测试数据

RW

10%

20%

30%

50%

70%

90%

Vd/mV

299

496

544

583

613

660

Id/mA

0.004

0.248

0.684

1.529

2.860

7.286

rd=Vd∕Id（欧姆）

74750

2000

795

381

214

90.58

半导体二极管反向特性参数测试电路如图13.2-2所示。

表13.2-2是反向测试的数据，从仿真数据可以看岀：

二极管反向电阻较大，而正向电阻小，故具有单向特性。

反向电压超过一泄数值（Vbr）,进入"反向击穿区”，反向电压的微小增大会导致反向电流急剧增加。

表13.2-2二极管反向特性仿貞•测试数据

RW

10%

30%

50%

80%

90%

100%

Vd/mV

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30000

49993

79982

80180

80327

Id/mA

0

0.004

0.007

0.043

35

197

rd=VdΠd（欧姆）

Oo

7.5E6

7.1E6

1.8E6

2290.9

407.8

1322二极管电路分析仿真实验

二极管是非线性器件，引入线性电路模型可使分析更简单。

有两种线性模型：

（1）大信号状态下的理想二极管模型，理想二极管相当于一个理想开关：

（2）正向压降与外加电压相比不可忽略，且正向电阻与外接电阻相比可以忽略时的恒压源模型，即一个恒压源与一个理想二极管串联。

图13.2-3是二极管实验电路，由图中的电压表可以读岀：

二极管导通电压VOn=0.617V;输出电压Vo=-2.617Vo

Ul

图13.2-3二极管实验电路（二极管为IN4148）

利用二极管的单向导电性、正向导通后其压降基本恒左的特性，可实现对输入信号的限幅,

图13.2∙4（a）是二极管双向限幅实验电路。

Vl和V2是两个电压源，根据电路图，上限幅值为：

Vl+Von,下限幅值为：

-XQ-Vom在Vi的正半周，当输入信号幅值小于（V1+Von）时，DI、D2均

截止，故VO=Vi：

当Vi大于（Vl+Von）时，Dl导通、D2截止，Vo=V1+Von^4.65V：

在Vi的负半

周，当IViIVV2+Von时，DIXD2均截止，Vo=Vi；当IViI>（V2+Von）时，D2导通.DI截止，Vo=-（V2+Von）≈-2.65VO图13.24（b）是二极管双向限幅实验电路的仿真结果，输出电圧波形与理论分

析基本一致。

（b）输出电压波形

图13.24二极管双向限幅实验电路

1323三极管特性测试

选择虚拟晶体管特性测试仪（IV-Analysis）XIVL双击该图标，弹出测试仪界面，进行相应设置，如图13.2-5所示，点击Sim-Param按钮，设程集射极电压匕的起始范圉、基极电流人的起始范囤，以及基极电流增加步数NUnVStePS（对应特性曲线的根数），单击仿真按钮，得到一簇三极管输岀特性曲线。

右击英中的一条曲线，选择ShoWSeleCtmarts,则选中了某一条特性曲线，移动测试标尺，则在仪器界而下部可以显示对应的基极电流你、集射极电压匕八集电极电流/（.O根据测得的仏和人值，可以汁

算出该工作点处的直流电流放大倍数0,根据测得的△人和可以汁算岀交流电流放大倍数0。

XIVI

II3

2N2222A

66.872∏∙A

IBJTNPNVJ

CUrrentRange（A）LogIILin

图13.2-5用晶体管特性测试仪测疑三极管特性

乡IVAnaIyZer-XIVI

201.163

-19.255

VoltageRaDge（V）

Log11~Lin

13.3单管基本放大电路

13.3.1共射放大电路仿真实验

放大是对模拟信号最基本的处理，图13.3J是单管共射放大电路（NPN型三极管）的仿真电路图。

图13.3-1单管共射放大电路（NPN型三极管）

进行直流工作点分析，采用菜单命令SiInUlate∕Analysis∕DCOPeratingPoint,在对话框中设置分析ι*/点及电压或电流变量，如图13.3-2所示。

图13.3-3是直流工作点分析结果。

图133-2直流工作点分析对话框

图13.3-3直流工作点分析结果

当静态工作点合适，并且加入合适幅值的正弦信号时，可以得到基本无失真的输岀，如图13.3∙4

图13.3∙4单管共射放大电路输入输出波形

但是，持续增大输入信号，由于超岀了晶体管工作的线性工作区，将导致输出波形失真，如图13.3-5

（a）所示•图13.3-5（b）是进行傅里叶频谱分析的结果，可见输出波形含有髙次谐波分量。

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（a）输出波形失真（b）傅里叶频谱分析结果

图13.3-5增大输入后的失真输出波形及其频谱分析结果

静态工作点过低或者过髙也会导致输出波形失真，如图13.3∙6所示，由于基极电阻心过小，导致基

极电流过大，静态工作点靠近饱和区，集电极电流也因此变大，输岀电压Vo=Vce-IeRe,大的集电极

电流导致整个电路的输出电压变小，因此从输岀波形上看，输岀波形的下半周趋于被削平了，属于饱和失真。

图13.3-6减小Rb后的失真输岀波形

13.3.2场效应管放大电路仿真实验

1.场效应管的转移特性

场效应管的转移特性指漏■源电压VM固左时，栅■源电压叫;S对漏极电流匚的控制特性.即iD=/（VGS）IvnS^flA.lan,，按照图13.3-7搭建N沟道增强型场效应管转移特性实验电路，单击MUltiSimIO菜单"Simulate/AnalySes/DCSWeeP..√,选择直流扫描分析功能，在弹出的对话框“AnalysisParameters”中设置所要扫描的直流电源”GS，并设置起始和终止值、步长值，在“Oinpin”选项卡中选择节点2的电压V⑵为分析节点•由于源极电阻Rs=IC,所以电压V[2]的数值等于源极电流，也等于漏极电流B。

由图13.3-7（b）可知，N沟道增强型场效应管2N7OO2的开启电压VGS（Ih）≈2Va

（a）仿真电路

（b）转移特性仿貞•结果

图13.3-7场效应管转移特性直流扫描分析

2.场效应管共源放大电路

图13.3-8是场效应管共源放大电路仿真实验电路图，调整电阻Re和尺朋构成的分圧网络可以改变

vg5q,从而改变电压放大倍数。

此外，改变电阻Rd、儿也可改变输出电压。

（a）仿真电路

（b）输入和输出电压波形

图13.3-8场效应管共源放大电路仿貞.

13.4放大电路指标测量

13∙4∙1输入电阻测:

万用表可以测量交直流电压、交直流电流、电阻.电路中两个宵点之间的分贝损耗，不需用戸设置疑程，参数默认为理想参数（比如电流表内阻为0）,用户可以修改参数。

点击虚拟仪器万用表（MUItimeter）,接入放大电路的输入回路，本例中将万用表设置为交流，测得的是有效值（RMS值）。

由于交流输入电阻要在合适的静态工作点上测量，所以直流电源要保留。

由图13.4-1可见，测得输入回路的输入电压有效值为3.536mV,电流为2.806μA,输入电阻

V1-3.536

&=—==1.260KIO

ii2.806

在实验室中进行的实物电路的输入电阻测量要采用间接测量方法，这是因为实际的电压表、电流表都不是理想仪器，电流表内阻不是0,而电圧表内阻不是无穷大。

（a）输入电阻测量电路

电流测量结果

（b）电压、

图13.4-1放大电路输入电阻测捲电路图

3.536mV

I■[2.306UA

≡AIVΩdB

1BdjdJlJ2d

13.4.2输出电阻的测量

采用外加激励法，将信号源短路，负载开路，在输岀端接电压源，并测量电压、电流，如图13.42所示。

由图13.4-2可见，测得输岀回路的激励电压有效值为707.106mV,电流为517.861uA,输出电阻

707.106

517.861

（a）输出电阻测量

（b）电压、电流测量结果

图13.4-2放大电路输出电阻测疑电路图

1343幅频特性的测量

可以用示波器测量放大电路的增益，以电阻分压式共射放大电路为例，图13.4-3（a）是测量电压放大倍数的电路图，图∣3.4-3（b）是示波器输出波形。

移动测试标尺可以读出输入输出波形幅值，进而计算出电压放大倍数，但是，可以发现，标尺处于不同位置计算岀的结果不同，仅可作为估计值，此外，输出波形与输入波形相比，存在一左相移，不是理想的反相，即发生了相移，相移大小与频率有关，这就是该放大电路的相频特性。

除了用示波器进行放大倍数测量的方法。

还有两种方法：

扫描分析法和波特仪测量法。

XSCl

（a）（b）

图13.4-3分压式共射放大电路放大倍数的测量

1.扫描分析法

由菜单