Multisim在单管放大电路分析教学中的应用

摘要:利用Multisim仿真软件的分析功能,结合实例分析了单管放大电路的特性。使理论教学与实验有机结合,给出了相应的仿真波形和仿真结果。在课堂上使模拟电子技术教学更加形象、灵活,更贴近工程实际,以达到帮助学生理解原理,提高分析能力的目的。

关键词:分析教学;放大电路;Multisim

中图分类号:TP319文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)31-0ppp-0c

Application of Multisim in Analysis Teaching of Single Transistor Amplifier

ZHANG Yong, HAO Ning-mei

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Dongying 257061, China)

Abstract: Using the analysis function of Multisim simulation software and with examples, the characters of single transistor amplifier are analyzed. The theory teaching and experiment are combined organically and the corresponding simulation waveforms and simulation results are given. The analog electronic technology teaching becomes more vivid, flexible in class, and becomes closer to the actual project, so that the aim of helping students understand theory and improve analysis capability is achieved.

Key words: analysis teaching; amplifier circuit; Multisim

EDA是一门综合了现代电子与计算机技术,以计算机为平台对电子电路、系统或芯片进行设计、仿真开发的计算机辅助设计技术,Multisim软件的出现,使实验室进入课堂成为可能。[1]课堂上教师可以根据讲课需要,通过操作计算机运行软件,模拟各种实验,并根据需要随意复制,使“实验结果”反复重现,使实验演示与教师的讲解同步进行;通过屏幕的展示,使一些抽象的概念形象化,将一些学习方法以动态方式图解;也可以由学生自己动手,运用 Multisim软件进行仿真实验,得到“实验结果”。[2]在整个教学过程中,使学生自始至终都保持极高的学习兴趣,这样的教学模式生动活泼,调动了学生学习的积极性,加深了学生的理解和记忆,提高了课堂教学效率。[3]

1 Multisim的功能与特点

Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具,它具有一个非常大的元件数据库,并提供电路原理图的图形输入、全部的模拟/数字Spice仿真功能、FPGA/CPLD组件合成、RF设计功能、后处理功能和PCB文件转换功能。[4]

Multisim是一个原理图设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim的虚拟元器件库提供数千种电路元器件供仿真实验选用,同时也可新建或扩展已有的元器件库,建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到,因此可很方便地在工程设计中使用;Multisim的虚拟仪器/仪表种类齐全,有实验室的通用仪器如万用表、函数信号发生器,双踪示波器等,还有一些特殊仪器如IV特性分析仪、逻辑分析仪、逻辑转换器等,使用操作方便,测量精度较高;Multisim提供了较为详细的电路分析功能,可以完成直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析等16个种类的分析方法,其分析结果以图表形式显示出来,可以清楚、准确的反映电路的工作状态。此外,Multisim还可以设计、测量和演示各种电路,包括电工电路、模拟电路、数字电路、高频电路及部分微机接口电路等。

2 放大电路简介

放大电路也叫放大器,是模拟电路的重要内容。[5]它的基本任务是将微弱的电信号进行放大,以便驱动负载(如喇叭、显示仪表等)。例如,常用扩音机中的放大电路可将来自麦克风的微弱电信号放大到足够的电压和电流后,驱动喇叭还原成为足够大的声音。自动测控系统中,被测物理量由传感器转换成微弱的电信号,也必须由放大电路将其放大后才可作进一步的分析处理。

根据用途,放大电路可分为信号(电压或电流)放大电路和功率放大电路,前者以放大信号为目的,后者以输出较大的功率为目的。根据工作频率可分为直流放大电路和交流放大电路(仅能放大交流信号)。根据所选用的器件可分为分立元件(三极管和场效应管)放大电路和集成放大电路。根据所用放大器件的个数可分为单级放大电路和多级放大电路。

放大电路并不能放大能量,实际上,负载得到的能量来自于放大电路的供电电源,放大电路的作用只不过是控制电源的能量,使其按输入信号的变化规律向负载传送而已。因此,放大的实质是用微弱的能量(信号)控制较大的能量传输,也可以说,放大电路是一种能量转换电路。

本文以图1所示的单管放大电路为例,说明应用Multisim进行分析教学的方法。

3 分析教学方法

Multisim提供了多种分析方法,这些方法都是利用仿真程序产生用户所需要的数据与图形。使用分析方法时需对指定的选项进行设置,如设置分析参数、输出变量的处理方式等。下面介绍几种模拟电子学中常用的仿真分析方法。

3.1 直流工作点分析

直流工作点分析用于计算电路的静态工作点。在进行该项分析时,电路中的交流电源被置零,电容开路、电感短路和数字元件被作为电阻接地。

单击菜单Simulate/Analysis/DC Operating Point,弹出DC Operating Point Analysis对话框,如图2所示。对话框有Output、Analysis Options和Summary三个分页,具体内容说明如下:

1) Output选项。Output用于选定需要分析的结点。左边Variables in circuit栏内列出电路中各结点电压变量和流过电源的电流变量。右边Selected variables for analysis栏用于存放需要分析的结点。具体做法是逐一选中左边栏内需要分析的结点或变量,单击Add按钮,相应结点或变量则会移至右边栏内。如果已选的某个变量不需要分析,则可选中它,然后单击Remove按钮,将其移回左边。

2) Analysis Options和Summary选项。Analysis Options表示分析的参数设置,Summary页中排列了该分析所设置的所有参数和选项。通常情况下采用默认值就可以顺利进行仿真分析。

当所有参数和选项设置好后,单击DC Operating Point Analysis对话框中的Simulate按钮,测试结果如图3所示。

图3 单管放大电路的静态工作点

3.2 交流分析

交流分析用于分析电路的小信号频率响应。在分析时,首先分析电路的直流工作点,以建立线性化的交流小信号等效电路,直流电源置零,交流信号源、电容和电感用其交流模型表示。将正弦波设定为输入信号(不管电路输入的是何种信号,都将自动设置为正弦波),然后分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲线。

1) 单击菜单Simulate/Analysis/AC Analysis,弹出AC Analysis对话框,如图4所示。

2) 在Frequency Parameters页中设置Start Frequency(起始频率)、Stop Frequency(终止频率)、Sweep type(扫描类型)、Number of points per decade(取样点数)和Vertical scale(纵坐标刻度),亦可采用默认值。

3) 打开Output页,选定需分析的结点,按Simulate按钮。

4) 显示测试结果。电路结点2的幅频特性曲线和相频特性曲线,如图5所示。

图5 电路结点2的幅频特性曲线和相频特性曲线

3.3 瞬态分析

瞬态分析是对所选电路结点进行时域分析。Multisim在进行瞬态分析时,直流电源保持常数,交流信号源随时间而变,电容和电感为能量储存模式。分析结果通常为结点的电压波形。

1) 单击菜单Simulate/Analysis/Transient Analysis,弹出Transient Analysis对话框,如图6所示。

2) Analysis Parameters页的设置。Initial conditions(初始条件)设置:其下拉菜单包括Set to zero(设为零)、User-defined(用户自定义)、Calculate DC operating point(计算静态工作点)和Automatically determine initial conditions(系统自动确定初始条件)4个选项。Parameters(参数)设置:选项包括Start time(起始时间)、End time(终止时间);选中Maximum time step settings(最大步进时间设置),则可设置Minimum number of time points(最小时间取样点数)、Maximum time step(最大步进时间)和Generate time steps automatically(自动产生步进时间)等。

3) 打开Output页,选定需分析的结点,按Simulate按钮。

4) 显示测试结果。电路输入结点3和输出结点4的电压随时间变化的波形,如图7所示。

3.4 参数扫描分析

参数扫描分析是在用户指定每个参数变化值的情况下,对电路的特性进行分析。在参数扫描分析中,变化的参数可以从温度参数扩展为独立电压源、独立电流源、温度、模型参数和全局参数等多种参数。显然,温度扫描分析也可以通过参数扫描分析来完成。

1) 单击菜单Simulate/Analysis/Parameter Sweep,弹出Parameter Sweep对话框,如图8所示。

2) 在Analysis Parameter区,在Sweep Parameters的下拉列表中选择Device Parameter(元器件参数),然后设置要扫描的Device(元件种类)、Name(元件序号)和Parameter(参数)。在Points to sweep区,从Sweep Variation Type的下拉列表中选择扫描变量类型(Decade、Liner、Octave、List)。然后,分别设置Start、Stop和Increment等参数。

3) 打开Output页,选定需分析的结点,按Simulate按钮。

4) 显示测试结果。输出结点4的电压随R1变化的波形,如图9所示。

4 结论

传统的电路分析方法是在图纸上设计好电路后,用元器件做成样板反复测试修改才能最后定型,费时费力费钱。而Multisim是一个集电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件,其元器件库有数千种电路元件可供实验选用,虚拟仪器种类齐全,具有较全面的电路分析功能,如稳态和瞬态分析、时域和频域分析等。该软件操作也很方便,与实际实验方法非常接近。运用Multisim软件分析电路,省时省力省钱,极大地提高了电路设计的效率和质量。学生可以在软件平台上随心所欲地设计电路,创造性思维可以得到充分发挥。可以说,计算机仿真分析和实验是高校实践教学的一个方向。

参考文献:

[1] 罗映祥,谭泽富.Multisim2001电路仿真软件在负反馈电路教学中的应用[J].现代电子技术,2008(7):161-162.

[2] 黄华飞,王红梅. Multisim9在直流稳压电源教学中的应用[J].广西轻工业,2008(6):75-76.

[3] 俞兴明. DQPSK调制系统差分编译码电路的设计与Multisim仿真[J]. 电子测量技术,2008,31(4):57-59.

[4] 刘润华.电工电子学[M]. 2版,东营:中国石油大学出版社,2008:275.

[5] 刘润华,郝宁眉,刘复玉,任旭虎.“十五”国家级规划教材《电工电子学》的体系和特色[J]. 电气电子教学学报,2003,25(5):39-41.