Multisim电路仿真分析与应用

Multisim电路仿真分析与应用姓名：苟晓侃 指导老师：裴东 王全洲(西北师范大学 物理与电子工程学院 电子信息工程专业 200172020306）摘要：随着计算机科学技术的发展，电路的仿真设计在教学以及工作生活中的应用越来越广泛，Multisim是基于电路设计及仿真重要EDA软件。本文介绍了在电子技术课程教学中应用Multisim进行实验的方法和一些实例。通过这些例子，掌握Multisim中电原理图的创建、元件库与元件的使用、虚拟仪器调用、电路的基本分析方法、仿真结果的后续处理等内容，我们可以看到Multisim在电子技术课程教学中的广阔前景，其方便的更改电路和元件参数的能力，使我们得以很好的了解电子电路的各种性质。这不失为一种很好的理论联系实际的教学方法，也是一种对学生实际能力培养的有效工具。利用计算机的电子设计自动化(EDA)应是电子技术教学今后的发展方向。 关键词：Multisim 电路仿真 实际应用 电子电路The Application of Multisim in Circuit SimulationAbstract: With the development of computer science and technology, it has become more and more popular of circuit design in teaching and common life. Multisim 2001 is one of the most important software in Circuit Simulation and design of EDA. The paper introduces the method and some examples by the way of applying Multisim in the course of the basic simulated electronic technique. From these examples we can find that the Multisim has a good perspective ,and also the ability of changing the circuit and component parameter can help us to know about its different characteristics of electronic circuit .It also will become a tool to train the students actual ability .To use the computer to design EDA will be a good direction in the course of electronic teaching.Keywords: Multisim Simulation Application Circuit引言随着电子技术的飞速发展及电子技术与计算机信息技术的强力整合，电子技术应用水平几乎在呈指数形式发展，因而对广大电子设计工程师的设计手段亦提出了全新的要求。传统的设计手段具有其不可避免的设计开发周期长、耗材、费力；有时甚至使设计方案受现有库存器件的资源情况等的限制而不得不将原有设计方案推翻重新拟定新的设计方案，从而严重延迟了新产品上市的时间使得其利润远低于早期上市的同类产品。针对这一日益突出的矛盾，精明的EDA软件开发公司及时地推出了特色各异的各种EDA软件包，从而将电子产品的开发设计与现代计算机技术有效地整合起来，将电子产品设计过程中大多数的繁杂的推导计算过程交由计算机来完成，而使得电子设计工程师们可以从繁琐的计算推导过程中解放出来，将更多的精力放在系统方案的提出和最终功能的验证上面，从而大大提高产品设计效率和缩短产品上市时间。在此类EDA软件中尤以加拿大IIT（Image Interactive Technologies）公司的Multisim最为突出。它是一个完全虚拟的电子实验室，在其内部具有数以万计的建模精确的元器件模型（元器件的建模是根据国外众多著名电子元件厂商提供的各项具体的原始参数进行的）和各类精度极高的虚拟仪器仪表，因而使得在其内部进行电子电路的分析验证几乎与真实实验室环境下的实验调试结果相近，而且具有完全不耗材和元器件资源、仪器仪表资源（各类仪器仪表可以多次重复调用）丰富及设计调试安全（不至于引起仪器仪表的损坏）等特点。特别是在数字电路的分析验证中尤显其优越性。Multisim 2001提供有16000多个高品质的模拟、数字元器件和RF组件模型，除此之外，用户还可以自行编辑和设计相应的元器件。Multisim 2001不仅提供了电路的多种仿真分析方法，如直流扫描分析，参数扫描分析，交流频率特性分析，瞬态分析，傅立叶分析，后处理器功能等等，而且也提供了两个仪表和多台仪器，仪表有：直流电压表，直流电流表；常用的仪器有：数字万用表，函数信号发生器，功率表，示波器，扫频仪，数字信号发生器，逻辑分析仪和逻辑转换仪。下文介绍的 Multisim 2001 的特色和简单的操作方法和电子课程的Multisim实验。实验通过人机对话的方式，能使每个人都能亲自动手接触电路,进行元件接线,参数设定。边连线，边测试，边修改，边分析，并与理论计算结果进行对照。通过Multisim软件的“component properties”(组成部件属性)可随时调整和修改元器件参数,分析各元件参数对电路的作用与影响。调试和测量过程就是最好的学习过程。在这样的实验中,把实验与理论有机的结合起来，加深了学生对理论的认识。一 Multisim 2001 简介11Multisim2001的特色（1）功能全面的仿真器 Multisim是自1988年以来首次发表的、最新的、最先进的功能强大、易于使用的仿真器Electronics Workbench的改进版本。今天，在35个国家、10种语言使用它。Multisim比我们以前的版本速度快十倍以上，并且在绝大多数电路中，它的速度与其它竞争对手价格昂贵的软件相同。它拥有工业标准化的SPICE 3和超过16,000多个元器件的模型。（2）集成的、一体化的设计环境 许多设计工具在单独工作时表现良好，但是它们面临的挑战是与其它软件共同良好的运行、共享数据、更新结果以及与其它工具之间的集成性。在领导PC为基础的仿真器的潮流中，我们提供全面集成化的原理图输入工具、数/模混合仿真以及在统一的环境中的波形显示。它不但增加了用户设计过程的灵活性和反应速度，而且极大地简化了设计过程。 通常，各种工具软件提供的是独立的原理图输入工具、仿真器和波形分析能力。用户将他们的原理图存为SPICE网表格式，以批处理的方式运行仿真器，将结果存为一个文件，然后转到波形分析工具中去。这样一来，限制了我们可选择的方案的种类，即使你做了很小的一点改动，你也不得不返回到原理图并再次重复整个过程。 在我们紧密的集成环境中，当用户进行仿真时，波形和原理图是同时有效且可见。当编辑原理图并改变参数时，按动开关并加上源信号，则显示的波形将立刻反应这个变化，它将你带到电路内部，使你可以对具体电路的某个环节直接进行控制。 另一个集成的优点是它将仿真器和显示波形实时精密结合在一起，除非为了进一步其它的目的而冻结某一图形，否则它将实时的更新分析的内容。你不会得到过时的、可能误导的图形轨迹，你也不必仔细跟踪轨迹的具体细节。（3）专业的原理图输入工具 Multisim的每个环节设计得都会使你感到方便和周到，它采用标准的MS-Windows接口，为用户提供了方便和友好的操作界面。用户可以轻松愉快地开始他的工作。使用鼠标输入你设计的电路，简单地抓取你所需要的元件，将它放入原理图中，并将它们进行正确的连接。选择元件就象使用数据手册那样简单，比如，你想得到一个元件LM741，你可以从元件列表中选取它。Windows的支持方式还意味着你可以剪切和粘贴原理图和图形到其它文字处理软件中去，以便得到具有专业水准高质量的报表和报告。另外一些功能特点还包括了可以由用户定义元件的特性、可以自动分配元件参考编号、易于编辑的模型参数和元件值、工业标准的ANSI和DIN图形符号、简便的材料清单输出并且支持层次化的原理图设计方式。（4）智能的连线和层次化的设计 Multisim通过自动的排列连线帮助你迅速便捷地完成线路连接，同时允许精心调整你设计的电路原理图，并且，当移动元件时所有连线将根据需要预留或重排。 使用Multisim的层次化的原理图输入方式，使的对于复杂的电路设计变得轻而易举，它实际使用的工作空间大小没有预先定义如果电路在现有的窗口中放不下，滚动屏幕即可继续工作。（5）与其它EDA工具的通讯 Multisim能够输入标准的SPICE网表并且自动地将他们转换为清晰可读的原理图，或者将它们输出到其它的SPICE仿真器中去。用户还可以输出自己的设计到流行的PCB布局布线工具中去，从而不需要重新输入你的电路。（6）灵活的数字、模拟以及数/模混合电路 Multisim能够对模拟、数字以及数/模混合电路进行仿真。仿真一个混合信号电路并不需要任何额外的工作，仿真能够处理任何事情。它首先将你的电路划分成模拟和数字两个部分，模拟电路使用时间步进驱动的SPICE仿真器进行仿真，采用仿真平台得到真实的结果（7）使用灵活方便使用它，你可在几十分钟内卓有成效的完成工作任务，节约时间和费用。同时，本系统紧密地结合了原理图输入、仿真和波形分析，使得你在设计方案调整中更加得心应手。在MULTISIM2001中，与现实元件对应的元件模型丰富，增强了仿真电路的实用性。元件编辑器给用户提供了自行创建修改所需元件模型的工具。元件之间的连接方式灵活，允许连线任意走向，允许把电路当成一个元器件使用，从而增大了电路的仿真规模。另外根据电路图形的大小，程序能自动调整电路窗口尺寸，不再需要人为设置。使用Multisim的虚拟测试设备就如同你坐在实验室那样，甚至于还要容易。当你设计了一个电路，你可以用鼠标选中虚拟测试设备，然后就象连接原理电路那样进行连接，它们被选出并送入仿真器内，这样你就能够立刻观察到实际电路响应的波形。二 Multisim 2001基础知识2.1 Multisim2001窗口界面从开始菜单程序项中运行Multisim2001主程序后，在计算机显示器上出现它的基本界面，如图： 图1 Multisim2001窗口界面由图可以看到，在窗口界面中主要包含了以下几个部分：菜单栏（Menus），系统工具栏（System），元（器）件库（Component Bars），仪表工具栏（Instruments Toolbar），设计工具栏（Multisim Design Bars），主操作窗口（Circuit Window）等。2.2 器件分类库Multisi2001的Multisim Database 中含有14个元件分类库(即COMPONENTTOOLBAR)，由这14个元(器)件分类库组成元件工具库(简称元件库)，通常以铵钮形式在工作窗口左边，但也可以任意移动。每个元分类库中又含有330个元件箱(又称之为FAMILY)，各种仿真元件分门别类地放在这些元件箱中供用户随意调用；电源库中共有30个电源器，有功率电源，各式各样的信号源、受控源以及1个模拟接地端和1个数字电路接地端；Multisim把电源类的器件全部作虚拟器件，因而不能使用Multisim中的元件编辑工具对其模型及符号等进行修改或重新创建，只能通过自身的属性对话框对其相关参数进行设置；基本元件库中包含现实元件箱18个，虚拟元件箱7个，虚拟元件箱中的元件不需要选择，而是直接调用，然后再通过其属性对话框设置其参数值；二极管库中包含10个元件箱；Multisim元件库中虽然存有成千上万个仿真器件，但用户的需要是名种各样的，因此不可能满足每个用户的要求。如果用户在进行一个仿真时少一个或几个仿真元件，可以真接利用Multisim所提供的元件编辑工具，对现有的元件模型进行编辑修改，或创建一个新元件。2.3 虚拟仿真仪器Multisim 2001的Instruments(仪器库)中共有11种虚拟仪器：Multimentent(数字万用表)，Function Generator 函数发生器)，Wattmeter(瓦特表)，Oscilloscope(示波器)，Bodeplotter(波特图仪)，Word Generator(字信号发声器)，Logic Analyzer(逻辑分析仪)，Logic converter(逻辑转换仪)，Distortion analyzer(失真分析仪)，Spectrum Analyzer(频谱分析仪)和Network Analyzer (网络分析仪)。2.4 基本仿真分析方法Multisim 2001提供了18种基本仿真分析方法。启动Simulate菜单中的Analysis命令，或点击设计工具栏中的按钮，即直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极零点分析、传递函数分析、最坏情况分析、蒙特卡分析、批处理分析、自定义分析、噪声图形分析RF分析等如此多的仿真分析是其它电路所不能比拟的。它们可以给你最大的自由和灵活性。每一种类型的分析提供所处理结果的可选项列表输出。例如，你可以自动地绘制或将这个仿真结果作为参考存储起来，你也可以剪切或粘贴图形，另外，无论何时当你对设计电路进行修改后，它将自动更新结果，并且将仿真结果存入一个可以转换到另外的程序的文件中去。2.4.1六种基本分析 Multisim先采用六种分析工具，帮助你测量电路的响应，以便了解它的基本工作状态。这些分析提供设计者可以从构造的原理图和用示波器或万用表得到相同的信息。但是使用Multisim研究设计电路的参数选择要比使用实际电路容易的多。例如，你可以双击鼠标使用不同的运算放大器来测试电路的反应如何变化，而对一个电路实物则需要进行花费大量时间去改动。(1) 直流工作点分析主要用来计算电路的静态工作点.进行直流工作点分析时，MULTISIM自动将电路分析条件设为电感短，电容开路，交流电压源短路。启动Simulate菜单中的Analyses下的DC Operating Point命令，出现如下对话框，进行适当设置直流工作分析设置单管放大电路结果(2)瞬态分析瞬态分析使你知道你所设计的电路作为时间函数的工作状态。它从零时开始并且在用户定义的时间范围内绘制电路响应(电压和电流)。用户只要定义起始时间和终了时间，仿真器将自动选择适当的中间时间步进值。启动Simulate菜单中的Analyses下的Transient Analysis命令，出现如下对话框，进行适当设置 (3)交流频率扫描分析可以对模拟电路进行交流频率响应分析，即获得模拟电路的幅度频率响应和相位频率响应。在对交流信号进行分析，要求直流电压源短路。进行交流分析前，MULTISIM2001 会自动进行直流工作点分析，以获得交流分析时线性元件的线性化小信号模型。而且在交流分析中，所有输入源都被认为是正弦信号。如果信号发生器设置为方波或三角波，它也将被自动转换为正弦波。 (4)付立叶变换分析 付立叶分析在给定的频率范围内分解瞬态数据并且观察元件的频谱。并用来检测电路的谐波失真。Multisim将离散付立叶变换应用到分析结果中，提供与幅值和相位相联系的付立叶频谱分量。尤其重要的是，它计算一个大信号瞬态分析的频域响应，这确定了电路的基波和最大的100次谐波，而且生成直观的图形和报告，使你得到确切的数据。(5)噪声分析 噪声分析确定电路或元件的噪声影响，它大大地减小了由于要求精确分析电路的噪声所要进行的手工计算。当指定一个输出节点、输入噪声源以及扫描频率范围，分析工具就会计算来自所有电阻和半导体元器件的噪声影响的均方根值。(6)失真分析 失真分析确定总的谐波失真并显示失真的频谱密度。它在一段频率范围内计算电路中一个或两个交流源的小信号稳态谐波和中间变换产物。只要指定频率范围和所感兴趣的节点即可。你可以在独立分析的基础上从分析选项中分离某些器件。2.4.2四种扫描分析 接下来的四种分析帮助你在各种条件和参数变化时观察电路的变化。这些对于原理样机用手工方式是很难进行或根本就不可能完成的。前两种分析通过在一段温度或参数值范围内，对电路进行扫描来评估电路的性能质量。另外两种扫描分析交流和直流灵敏度。(1)温度扫描分析 温度分析扫描在一段特定的范围内，对任意电路相邻和独立元件温度扫描，确定电路的瞬态、直流和交流响应。允许在不同的环境中观察电路的表现(例如在炎热的天气里，一个单元电话设计电路的性能状态)，或者检查一个特定的元件随温度上升的工作状态。可以指定所需的温度扫描范围、类型和分辨率。(2)模型参数扫描分析 当模型参数在取值范围内变化时，可以观察到电路的瞬态、直流和交流响应。例如，当晶体三极管的值改变时你的电路如何反应？模型参数扫描分析允许选择任何元件、任何期望的参数值以及所要扫描的取值范围。它最终帮助你理解单个模型参数怎样影响你的设计。(3)交流灵敏度/直流灵敏度分析 这两种分析不是在一个取值范围内扫描，而是确定一个元件值的变化如何影响电路的其它元件。例如，对于一个给定电阻的每一欧姆变化，输出端的电压如何变化。换句话说，这些分析告诉你对于一个特定的参数，你的电路有多大的灵敏度。 灵敏度数据帮助你确定设计电路的稳定性，并且预测在生产加工过程中参数值的多大变化才会影响电路的性能。例如，需要标识哪些元件与增益的波动有因果关系，然后才能决定是否用更好的元件替代它。 交流和直流分析实际上是计算来自指定元器件的变化而引起的交流和直流电压和电流的灵敏度。可以选择一个输出变量和所感兴趣的元件参数，并且为交流分析指定段频率范围。2.4.3两个高级的分析 使用这两个分析，Multisim使你可以在较高基础上研究电路的工作状态。你可以用不着分析某一特定元件或节点，取而代之的是你可以洞察设计电路所有各个部分内在的性能。它提供给你有关电路稳定性的信息，并且得出不能从原理样机中测量到的分析数据。(1)零极点分析 这个分析确定电路的交流小信号传递函数，计算其零点和极点。电路一旦处于零极点将表现为不稳定状态。它取代了枯燥的手工计算，还将帮助你理解大系统和分析复杂网络的稳定性。你能够指定所感兴趣的输入和输出节点以及你所需要进行的分析(增益或阻抗传递函数、输入或输出阻抗)。(2)传递函数分析 使用传递函数分析，你能确定电路的直流小信号传递函数，并且计算输入电阻、输出电阻以及直流增益。你可以选择一个输入源和一个输出节点，以此来计算传递函数。这个分析过程是将指定的电路部分定义为一个黑盒子。2.4.4两种统计分析 这两种分析提供有关电路生产制造的信息。使用统计法，你能够提供有关电路生产制造的信息。根据统计法，你能够真正生产加工你的电路和分析最终产品。元件参数不可避免的离散性使这项分析十分必要。例如，如果你使用5%精度的电阻，你能够使用统计分析从生产线上抽取100块电路板进行测试，并且能够确定电路板的直流工作点如何随电阻值的变化而变化。(1)最差情况分析 最差统计变化前提下，预测电路的最差性能表现。情况分析使你能够在考虑到所使用的实际元件的例如，根据所输入的元件规格的绝对最低直流工作点是多少？这个分析将每个元件的误差值设为最坏情况以计算最坏情况的输出。可以被选择为最大值、最小值、上升值和下降值。(2)蒙特卡洛分析 使用蒙特卡洛分析，你能预计由于电路的变化影响电路设计所造成的失败率。它提供在限定的误差值内随元件参数随机变化而引起的瞬态、交流和直流电路响应的分析。你可以通过选择随机分配函数和误差值来设置分析。三 Multisim在电子线路中的应用举例在电子线路分析与设计过程中，经常需要选择合适的元件。如果在设计过程中，每换一个元件就进行一次测试，则工作量非常大。利用MULTISIM提供的大量的仿真分析法，可以为电路设计提供许多有效的方法。3.1字信号发生器输出信号显示（1）电路原理图逻辑分析仪显示结果（2）字信号发生器介绍字信号发生器实际上是一个多路逻辑信号源，它能产生16位同步逻辑信号，用于对数字逻辑电路进行测试。下图是其图标和面板。在字信号编辑区，字信号以4位16进制数编辑和存放。EWB5.0可以存放1024条字信号，编辑区的内容可通过滚动条前后移动。用鼠标单击可以定位和插入需编辑的位置，然后输入16进制数码。还可在面板下部的二进制字信号输入区输入二进制码。在地址编辑区可以编辑或显示与字信号地址有关的信号。字信号的输出方式有三种：Step（单步）:每单击一次“Step”，则字信号输出一条，字信号编辑区中的地址下行，此方式可用于对电路进行单步调试。Burst（单帧）：每按一次“Burst”，则从首地址开始至末地址连续逐条输出字信号。Circle（循环）：按“Circle”，则从首地址至尾地址循环不断的输出。选中某地址信号后，按“Breakpoint”则该地址被设置成中断点。“Burst”输出时，运行至该地址输出暂停。再单击“Pause”或按“F9”恢复输出。字信号的触发方式：当选择“Internal（内）”触发方式时，字信号的输出直接由输出方式按钮（“Step”、“Burst”和“Circle”）启动。当选择“External(外)”触发方式时，则需接入外触发脉冲信号，再定义“上升沿触发”或“下降沿触发”，单击输出方式按钮，待触发脉冲到来时才启动输出。此外，在“数据准备好输出端”还可得到与输出信号同步的时钟脉冲输出。按下“Pattern方式”按钮弹出图2对话框。其中前三个选项为清除、打开、存盘，用于对编辑区的字信号进行相应的操作。字信号存盘后文件扩展名为“.DP”。而后四个项目用于在编辑区生成按一定规律排列的字信号。3.2、逻辑电路分析逻辑分析电路图逻辑分析仪面板转换按钮功能意义逻辑电路真值表转换按钮真值表表达式转换按钮真值表简化表达式转换按钮表达式真值表转换按钮表达式逻辑电路转换按钮表达式与非门转换按钮转换方式选择区的6个转换按钮分析结果：（1）逻辑电路真值表转换，按得（2）真值表表达式转换得到： ABC+ABC+ABC（3）真值表简化表达式转换按钮得到 AB+BC（4）表达式真值表转换如果从下面窗口输入AB+C则有（5）表达式逻辑电路转换AB+C（6）表达式与非门转换通过以上例子的分析，我们不难发现在Multisim2001中进行数字电子电路的设计时就如同在实验室的面包板上