基于miltisim毕业论.doc

摘 要Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作，包含电路原理图图形及电路硬件描述语言的输入方式，具有丰富的仿真分析能力。本文简单的介绍了Multisim10的功能 ，包括主窗口、菜单栏、工具栏、元器件库以及仪器仪表库等，同时也介绍了Multisim10的电路分析方法。本文根据低频电子线路中的知识，设计了共集电极放大器，阐述了它的设计原理以及具体的电路参数分析。 模拟乘法器是一种完成两个模拟信号（电压或电流）相乘作用的电子器件。它具有两个输入端对和一个输出端对，是三端对有源器件。主要内容为基于Multisim的模拟乘法器应用设计与仿真。阐述了双边带调幅及普通调幅、同步检波、混频、乘积型鉴相电路的原理，并在电路设计与仿真平台Multisim11仿真环境中创建集成模拟乘法器MC1496电路模块，利用模拟乘法器MC1496完成各项电路的设计与仿真，并结合LabVIEW虚拟仪器实现对语音信号的普通调幅及解调。 关键词：Multisim10；静态工作点 ；模拟乘法器 ；MC14961. 概述1.1 Multisim简介Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力1。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程2。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量3。1.2 Multisim10功能NI Multisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且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，因此也很方便的在工程设计中使用。NI Multisim10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。NI Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。NI Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字、电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。利用NI Multisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。NI Multisim10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。1.2.1 Multisim10的主窗口点击“开始”“程序”“ National Instruments” “Circuit Design Suite 10.0”“multisim”，启动multisim10，可以看到图1. 1所示的multisim的主窗口。图1. 1 multisim的主窗口从图2.1可以看出，multisim的主窗口如同一个实际的电子实验台。屏幕中央区域最大的窗口就是电路工作区，在电路工作区上可将各种电子元器件和测试仪器仪表连接成实验电路。电路工作窗口上方是菜单栏、工具栏。从菜单栏可以选择电路连接、实验所需的各种命令。工具栏包含了常用的操作命令按钮。通过鼠标器操作即可方便地使用各种命令和实验设备。电路工作窗口两边是元器件栏和仪器仪表栏。元器件栏存放着各种电子元器件，仪器仪表栏存放着各种测试仪器仪表，用鼠标操作可以很方便地从元器件和仪器库中，提取实验所需的各种元器件及仪器、仪表到电路工作窗口并连接成实验电路。按下电路工作窗口的上方的“启动停止”开关或“暂停恢复”按钮可以方便地控制实验的进程。1.2.2 Multisim10的元器件库multisim10提供了丰富的元器件库，元器件库栏图标和名称如图1.2所示。图1.2 MULTISIM10的元器件库用鼠标左键单击元器件库栏的某一个图标即可打开该元件库。元器件库中的各个图标所表示的元器件含义如下面所示。关于这些元器件的功能和使用方法将在后面介绍。读者还可使用在线帮助功能查阅有关的内容。1. 电源/信号源库电源/信号源库包含有接地端、直流电压源（电池）、正弦交流电压源、方波（时钟）电压源、压控方波电压源等多种电源与信号源。2. 基本器件库基本器件库包含有电阻、电容等多种元件。基本器件库中的虚拟元器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是可以选择的。3. 二极管库二极管库包含有二极管、可控硅等多种器件。二极管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。二极管库如图1.2.7所示。 4. 晶体管库晶体管库包含有晶体管、FET等多种器件。晶体管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。5. 模拟集成电路库模拟集成电路库包含有多种运算放大器。模拟集成电路库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。6. TTL数字集成电路库TTL数字集成电路库包含有74系列和74LS系列等74系列数字电路器件。7. CMOS数字集成电路库CMOS数字集成电路库包含有40系列和74HC系列多种CMOS数字集成电路系列器件。8. 数字器件库数字器件库包含有DSP、FPGA、CPLD、VHDL等多种器件。9. 数模混合集成电路库数模混合集成电路库包含有ADC/DAC、555定时器等多种数模混合集成电路器件。10. 指示器件库指示器件库包含有电压表、电流表、七段数码管等多种器件。11. 电源器件库电源器件库包含有三端稳压器、PWM控制器等多种电源器件。12. 其他器件库其他器件库包含有晶体、滤波器 等多种器件。13. 键盘显示器库键盘显示器库包含有键盘、LCD等多种器件。14. 机电类器件库机电类器件库包含有开关、继电器等多种机电类器件。15. 微控制器库微控制器件库包含有8051、PIC等多种微控制器。16. 射频元器件库射频元器件库包含有射频晶体管、射频FET、微带线等多种射频元器件。1.2.3 Multisim10仪器仪表库仪器仪表库的图标及功能如图2.5所示。图2.5 MULTISIM10仪器仪表库MULTISIM10的仪器库存放有数字多用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、瓦特表、失真度分析仪、网络分析仪、频谱分析仪11种仪器仪表可供使用，仪器仪表以图标方式存在，每种类型有多台。为了全文的简洁，本文在此就不一一详述各个仪器仪表的使用方法和功能。2.基于Multisim10共集电极放大器的分析2.1共集电极放大器原理射极跟随器指的是：信号从基极输入，从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大系数略低于1，负载能力强，输入信号与输出信号相位相同。也可认为射极跟随器是一种电流放大器。常作阻抗变换和级间隔离用。三极管按共集(Common Collector)方式连接。就是基极与集电极共地，基极输入信号，发射极输出，亦称为共集电极放大器。射极跟随器的原理图如图2.1所示。它是一个电压串联负反馈放大电路，具有输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数接近于1，输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信号同相等特点，常作为功率放大器11。图2.1 共集电极放大器电路原理图2.2电路参数分析2.2.1 输入电阻 （3.1） 如果考虑偏置电阻和负载电阻的影响，则： （3.2） 由上式可知射极跟随器的输入电阻比共发射极单管放大器的输入电阻要高得多，但由于偏置电阻的分流作用，输入电阻难以进一步提高。2.2.2 输出电阻 （3.3）如考虑信号源内阻，则可以写为： （3.4）其中：，由上式可知射极跟随器的输出电阻比共发射极单管放大器的输出电阻低得多。三极管的愈高，输出电阻愈小。2.2.3 电压放大倍数 （3.5）放大器的电压跟随范围是是指射极跟随器输出电压跟随输入电压作线性变化的区域。当超过一定范围时，便不能跟随作线性变化，即波形产生了失真。为了使输出电压正、负半周对称，并充分利用电压跟随范围，静态工作点应选在交流负载线中点，测量时可直接用示波器读取的峰峰值，即电压跟随范围；或用交流毫伏表读取的有效值，则电压跟随范围： （3.6）2.2.4 静态工作点的估算放大器的静态工作点可以通过数学表达式来进行估算，估算静态器的静态工作点时，主要包括IBQ、ICQ UCEQ3个参数（因为UBEQ是三极管be结压降，硅管为0.7V左右，锗管为.03V左右，基本上可以忽略不计）。 整理可得 2.3共集电极放大器的Multisim10仿真分析本文首先按照MULTISIM10基本操作方法，打开MULTISIM10，按照射极跟随器原理图搭建好原件电路图。为了配合测量射极跟随器的输入和输出电阻，仿真时增加了相应的控制开关1和2，完整的电路仿真图如图2.2所示。图2.2 射极跟随器仿真电路2.3.1 静态工作点测量静态工作点的测量是有前提的，必须是电路工作在不失真情况下测量，所以之前必须进行静态工作点的调试，它是指对三极管的集电极电流或者的调整。如果静态工作点偏高，放大器在加入交流信号以后会容易产生饱和失真，如果工作点偏低则会产生截至失真。调整的方法是，同时调节输入信号的幅值以及电位器的大小，用示波器观察放大器的输出电压，直到输出电压略微增大时，输出信号同时出现饱和失真和截至失真，输入信号略微减小，输出信号饱和失真和截至失真同时消失，此时的放大器工作点就是最佳的工作点。在进行直流工作点分析时，电路中的交流源将被置零，电容开路，电感短路。用鼠标点击Simulate AnalysisDC Operating Point Analysis，将弹出DC Operating Point Analysis对话框，进入直流工作点分析状态。选定参考测量点后点击Simulate，即可得到如图2.3所示的静态工作点测量值。图2.3 射极跟随器静态工作点2.3.2 电压放大倍数测试断开开关1，闭合开关2，设置好交流电源参数，仿真得到输入（上面光滑直线）和输出（下面带三角的直线）波形，如图2.4所示。图2.4 射极跟随器输入输出波形或许从示波器中不能有定量的描述，但是我们可直观的看到输入和输出电压差别不大，此时用万用表可以测得输入电压是，输出电压是，那么电压的放大倍数是： （4.1）在仿真时，我们改变三极管的参数值，电压的变化很小，但是我们用万用表测量时发现，输出电流的变化很大。2.3.3 输入电阻测试为了测试输入电阻的大小，关闭开关2，分别测量在开关1在打开和闭合两种情况下的输出有效值分别为，。测试效果如图2.5所示。图2.5 输出电压测试结果 （4.2）在仿真时，我们改变三极管的参数值，输入电阻的变化会随着值的增大而单调增大。2.3.4 输出电阻测试为了测试输出电阻的大小，关闭开关1，分别测量在开关2在打开和闭合两种情况下的输出有效值分别为，。测试效果如图2.6所示。图2.6 输出电压测试结果 （4.3）在仿真时，我们改变三极管的参数值，输出电阻的变化会随着值的增大而单调减小。2.3.5 放大器的频率响应交流分析用于分析电路的频率特性。需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路中的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处在交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。若把函数信号发生器的其它信号作为输入激励信号，在进行交流频率分析时，会自动把它作为正弦信号输入。因此输出响应也是该电路交流频率的函数。用鼠标点击SimulateAnalysisAC Analysis，将弹出AC Analysis对话框，进入交流分析状态。选择节点4，参数设计如图2.7所示，仿真效果如图2.8所示。图2.7 参数设置图2.8 放大器频率特性3.基于Multisim10差分放大电路分析3.1长尾式差分放大电路3.1.1电路模型建立、分析 参数选择：三极管 =100， =10.3k， =15v，=36k，=27k， =2.7 k，=100，的滑动端处于中点，=18 k。要求：测试放大电路的静态工作点；加输入信号、观察波形；测放大倍数和差模输入电阻。 图 3.1 带有发射极回路调零电位器的长尾式放大器静态工作点：由三极管的基极回路：则静态基极电流为： 静态集电极电流和电位为：集电极静态值为：基极静态值为： 动态分析（放大倍数的求取）由于接入电阻后，当输入差模信号时流过的电流不变，相当于一个固定电位可将交流通路中的视为短路，如下是长尾式差分放大电路的交流通路及微变等效电路图（其中）： 长尾式差分放大电路的交流通路 长尾式差分放大电路微变等效电路图 同理可知： 则可计算有：差模输入电阻2.3.1.1电路模型建立、分析及计算利用multisim的直流工作分析功能测量放大电路的静态工作点。分析结果如下： 长尾式差分电路仿真图可知，5.60047V（对地） -7.04963mV（对地）则加正弦波输入时，波形如下：其中对于不同相位的那条波波形为的波，其幅值为每单位200mv；另两个为(图中中间的那条波),波形，其幅值为每单位5mv；其幅值为每格为100mv。可以读出的波峰波谷之差为14mv，等于，其波峰波谷值为580mv。当=10mv时，利用虚拟表可以测得=406.466mv，=282.788nA, 则,2.3.2 恒流源式差分放大电路2.3.2.1电路模型建立、分析及计算如图为恒流源式差分放大电路图，参数：= =9V, =47 k，=13k，=3.6k，=16 k，=10 k，=20 k，=30，。要求：测试放大电路的静态工作点；加输入信号、观察波形；测放大倍数和差模输入电阻。 静态工作点：根据、的稳压特点可以清楚： 动态分析： 恒流源式差分放大电路的简化图由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以恒流源式差分的交流通路与长尾式电路的交流通路相同； 恒流源式差分放大电路的交流通路 恒流源式差分放大电路微变等效电路图而 其中 故而 2.3.1.2仿真结果分析利用multisim的直流工作分析功能测量放大电路的静态工作点。分析结果如下：恒流源式差分放大电路仿真电路 可得：4.60768v（对地），-31.15113mV（对地）,则 加正弦波输入时，波形如下：其中对于不同相位的那条波波形为的波，其幅值为每单位50mv；另两个为(图中中间的那条波), 波形，其幅值为每单位5mv；其幅值为每格为50mv。可以读出的波峰波谷之差为14mv，等于，其波峰波谷值为180mv。当=10mv时，利用虚拟表可以测得=132.75mv，=267.926nA, 则,2.4 反馈2.4.1电压并联负反馈2.4.1.1 电路模型的建立、分析和计算如图：运放为理想运放，参数：=910，=1k，=10k.要求：放大倍数和输入电阻。判断反馈类型：接地后没反馈信号，故而为电压反馈；和输入信号是通过电流联系的，故为并联反馈；按瞬时极性法判断是负反馈；即是电压并联负反馈。放大倍数：因为放大器是理想的，满足深度负反馈，且又由于是并联，则有： 而根据以上公式有：=2.4.1.2 仿真结果分析 加正弦波输入时，波形如下： 其中上面的那条波是的输入波形，其幅值是每格代表1V，波峰波谷之差的读书为2.8v下面的波形为输出波形，其幅值是每格代表10V，波峰波谷之差的读书为28v。当=996.93mv时，利用虚拟表可以测得=9.998v ，=999.814 A, 则,2.4.2电压串联正反馈2.4.2.1 电路模型的建立、分析及计算如图：运放为理想运放，参数：=910，=1k，=10k.要求：放大倍数和输入电阻。 断其反馈类型：接地后没反馈信号，故而为电压反馈；和输入信号是通过电压联系的，故为串联反馈；按瞬时极性法判断是正反馈；即是电压串联正反馈，运放工作在非线性区。放大倍数：由于放大器理想，且是串联，则 而根据分析即可得出：2.4.2.12.4.2.2仿真结果分析 加正弦波输入时，波形如下：其中正弦波的为输入电压的波形，每格代表500mv，波峰波谷值为2.828v，成直线的为输出的波形，读数为20.998v。当=999.818mv时，利用虚拟表可以测得=20.997v ，=448.819nA, 则,2.5 电压比较器2.5.1单限比较器2.5.1.1 电路模型建立、分析及计算如下图：是单限比较器电路，集成运放为理想运放,右图为输入波形。参数：=-3V,稳压管= 5v，=20 k，=30 k.要求：测试其传输特性。 由于接地，即=0，当输入电压变化时，若反相输入端的电位=0，则输出端的状态将发生跳变。根据叠加定理，令=0知，门限电平。所以， 左图单限比较器的传输特性图2.5.1.2仿真结果分析输入三角波后的输入和输出波形图： 波形显示=2V。（图中三角波每格2V，方波每格代表5V）2.5.2滞回比较器2.5.2.1 电路模型建立、分析及计算如下图：是滞回比较器的电路图，集成运放为理想运放。参数：=62k，=100k， =150k，R=2k，稳压管=5v，参考电压=3v。要求：观测输入输出波形；依据输入输出波形确定滞回比较器和. 根据戴维南叠加定理可求得运放同相输入端得电位： 而=-3V,当时，此时的输入即是门限电平。如果原来的，当逐渐减小时，使从跳变为所需的门限电平用表示，有上式知：v如果原来的，当逐渐增大时，使从跳变为所需的门限电平用表示，同理可得：v滞回比较器的传输特性图2.5.2.2仿真结果分析0 波形图为：正弦波为输入波形，矩形波为输出波形（波形中每格代表10V），由波形可以算出=8.3V、=1.6V2.5.3双限比较器2.5.3.1 电路模型建立、分析及计算如下图是双限比较器，集成运放为理想运放。令=10k，加上15v的电压。要求：测试比较器的传输特性；观察Ui和Uo的波形。双限比较器原理图如果，则U1输出高电平，U2输出低电平，此时二极管VD1导通，VD2截止，输出电平Uo为高电平；如果，则U2输出高电平，U1输出低电平，此时二极管VD1截止，VD2导通，输出电平Uo为高电平；如果，则U1、U2均输出低电平，此时VD1、VD2都截止，输出电平Uo为低电平；双限比较器的传输特性曲线图（）2.5.3.2仿真结果分析 输入和输出波形分别为：（正弦波），（矩形波），波形如下（正弦波每格代表20V，波峰波谷值为44V；矩形波每格代表5V，高低电平之差读数为14V；）： 2.6 设计总结和体会 在课程设计的准备阶段，就决定将设计的课题和目标定在了自己不曾彻底明白的章节，经过一段辛苦地理解和品读教材后，逐渐理解了以前不太会分析的差分放大电路、其静态和动态分析的明晰思路，同时也掌握了如何判断反馈的类型以及在深度负反馈情况下的各种处理的情况，清楚了负反馈对放大电路的性能的影响，同时也熟悉了不同电压比较器的特点和它们的传输特性。经过这次的设计的整个过程，使我从学习的全局去考虑，收获颇多，平时积累的问题都随着这次的课设而迎刃而解。在练习仿真电路时，通过种种元器件上的或连线上的或仪器使用上的种种错误都得到矫正和改进，使我更加深刻地体会了各个元件变化时对输出及放大倍数、静态值的影响这次课设使我对知识的理解更透彻，也使我在整个教材学习中起了很大的推动作用。在做仿真练习时，常常出现三极管放大器值取舍不当，在选取三极管时