Multisim软件电路设计与仿真分析.docx

第17卷第4期乐山师范学院学报 V0117No42002年8月Journal of Leshan Teachers College Aug2002Multisim软件电路设计与仿真分析蘑盏(乐山师范学院计算机科学系，四川乐山614004)摘要：本文介绍了一个优秀的电路设计与仿真分析软件Multisim2001，以及Muhisim的组成、基本功能、特点和仿 真分析原理一结合电子电路实例叙述设计，仿真与分析的具体运用关键词：虚拟仪器；电子设计自动化EDA；仿真分析中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：10098666(2002)04006804任何一种电子电路设计，都必须对其性能进行规划和实验验证过去在实验教学中常用的方法有两 种：一种是在数学上利用公式计算，即采取两个基尔霍夫定律和元件的特性方程，写出其所需方程进行 计算求解另一种是实验方法，按照设计的电路图将各个元件制作成具体的电路实验板，并用测试仪器 对物理样机的各项技术指标进行测试这两种方法对小规模的电路还可以，对中规模的电路就暴露出缺 点：(1)、计算过程难而复杂；(2)、元件电路实验板调试困难、出错率高；(3)、计算精度低；(4)、无法确 定电路的最坏情况；(5)、容错分析、优化设计困难特别是大规模集成电路的迅猛发展，电路品种繁多、 对电路的稳定性、可靠性等高要求，原始的设计方案无法适应当前激烈竞争的市场近年来电子设计自 动化(Electronic Design Automation，即EDA)工具发展很快在“EDA桌面设计环境”下，对电路设计工作 者在PC机上就能完成电路的系统综合设计和仿真实验1Multisim2001的组成与基本功能加拿大Interactive linage Technologies公司推出电子设 计平台ElectronicsWorkbench的新版本Multisim 2001和 Ultiboard两个基本模块，其完整的Multisim2001模块包括 VHDLVerilog编辑编译模块；完整的Uhiboard PCB设计 模块包括Uhirouter自动布线模块它的各模块间的组成 关系如图一所示前端设计工具Multisim 2001的基本功u1bo羽的组成和基本功能能：主要根据自己的目的，完成电气原理图设计输人、模图I，Muhisim2001-q拟、数字、模数混合电路仿真、PLD设计和信号完整性分析。2 Muhisim2001的基本特点Multisim2001模块同其它EDA工具相比不但设计完善，而且用户界面友好，易学易用，能胜任专业 电子设计和电子电路实验教学Multisim2001的基本特点如下收稿日期：20020226作者简介：唐益(1953一)，男，四川乐山人，乐山师范学院计科系高级实验师68万方数据21齐全的虚拟仪器 虚拟仪器齐全，能做各种类型的仿真实验示波器(Oscilloscope)、万用表(Muhimeter)、函数发生器(Function Generator)、逻辑转换器(Logic Converter)、波特图示仪(Bode plotter)、逻辑分析仪(Logie Ana-lyzer)、字函数发生器(Word Generator)、网络分析仪(Network Analyzer)等多种虚拟电子仪器更具有人性 化的特色，使其电路仿真实验更符合设计者的工作习惯22充足的虚拟元器件 Muhisim2001提供了规模庞大的元器件库，并且这些元器件几乎都具有仿真模型按照逻辑关系分为14个元器件箱：如信号箱(Sources)、基本元件箱(Basic)、晶体管箱(Transistors)、模拟集成电路箱 (Analog)、数字集成电路箱(Digital)、混合器件箱(Hybrid)、控制元件箱(Controls)、RF元件箱等多种元 件箱每个元器件箱内包含又有多个元件数据库，可为设计者节约大量地实验经费和时间23信号完整性仿真分析Multisim2001的仿真分析软件，在流行的EDA工具中表现十分突出，为教学、实验训练、科研、生产 设计提供了多种的检测手段如典型的(1)、直流工作点分析(DC Operting Point Analysis)；(2)、交流分 析(AC Analysis)；(3)、瞬态分析(Transient Analysis)；(4)、傅立叶分析(Fourier Analysis)：(5)、噪声分 析(Noise Analysis)：(6)、失真度分析(Distortion Analysis)；(7)、直流扫描分析(DC Sweep Analysis)： (8)、DC和AC灵敏度分析(Sensitivity Analysis)；(9)、参数扫描分析(Parameter Sweep Analysis)；(10)、 温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis)；(11)、转移函数分析(Transfer Function Analysis)；(12)、最 坏情况分析(Worst Case Analysis)；(13)、蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis)；(14)、批处理分析 (Batched Analysis)；(15)、用户自定义分析(User Defined Analysis)；(16)、射频分析(RF Analysis)； (17)、噪声特性分析(Noise Figure Analysis)；(18)、零极点分析(Pole Zero)等18种仿真分析以及 VHDL仿真和Verilog仿真这些有利于不断地提高设计者综合实验能力和电子系统验证的自动化水 平24虚拟仪器与仿真分析内容有机的结合 Multisim2001能识别各种元件所采用的模型类型(SPICE、VHDL、Verilog等)，并自动调用相应的仿真器，然后控制各仿真器之间的数据传递，不需要用户的任何干预，好像采用同一种技术进行仿真，提高了电子系统自动化设计的效率如电路中某个节点接“示波器”，程序自动进行瞬态分析；接“万用表”就 进行直流分析；接“函数发生器”就设置了一个SPICE源；接“扫频仪”就进行交流小信号分析；接警频谱 分析仪”就进行快速傅立叶分析等25与PCB设计的无缝连接 Muhisim2001能将设计、仿真分析完成的电子系统通过木net网络表文件和术plc元件文件形式输出到Uhiboard PCB的工具模块，按照确定的设计规则(Design Rules)进PCB的自动化设计最后通过图示仪输出PCB图形文件，送至工厂生产成电子产品3 Multisim2001的仿真分析原理EDA工具中的软件仿真(Simulation)通常也称为模拟，故仿真软件也称为仿真引擎(Simulation En- gine)，或仿真器、模拟器Muhisim2001提供了多种软件仿真器：SPICE(包括专用RF模型)、VHDL、Ver- ilog、前三种的结合仿真分析实质上是估算电路特性的一种数学方法，通过仿真分析，不必构造具体的物理电路，也不必使用物理测量仪器，就能基本确定电路的工作性能具体地讲，电路中的每一个元件都有相应的“数学模型”，仿真器就是Muhisim2001求解电路数值方程的组件用户建立电路图，并开始仿 真进程时，各种“数学模型”在窗口中电路就建立了链接，并进行仿真运算元件模型的精确性决定了仿 真结果与电路实际性能的差异，电路的数学表示了一组非线性微分方程仿真器的主要任务就是求解这 些方程例如SPICEbased仿真器将非线性微分方程转化为非线性代数方程，利用修正的Newton Raphson方法进一步线性化，得到一组线性代数方程组这意味着Multisim2001无论是CPLDFPGA或 非常复杂的数字器件(CPU、存储器)，还是复杂模一数混合电路，设计者为Muhisim2001提供的一系列万方数据仿真分析并能观察到结果4 电路设计与仿真分析应用实例Multisim2001无须专门学习计算机控制语言和各种输人输出指令，无须编写电子电路图的程序，其 逼近真实的集成实验环境，好象在实验室搭接电路只须在Multisim2001电路设计窗口内放置所设计的 虚拟电子元件和虚拟仪器，并用连线和节点连接相应的虚拟元器件与仪器仪表的测量接口，就能从虚拟 仪器仪表上观察到各种仿真波形和参数的结果，非常直观方便特以交流负反馈放大器例子说明电路设 计方法和部分仿真分析结果仅供大家参考41 电路设计输入与编辑进入Muhisim2001工作环境界面，可方便放置元件和仪表：从“Basic”元件箱中调出电阻，电容和 电感，从“Source”元件箱中调出正弦信号源、电压源和接地符号，从“Transistor”元件箱中调出晶体管等， 从工作界面的右侧仪器箱中调出“双踪示波器”等电路布线：按照电路原理图排列各个元件，将鼠标器放于元件管脚上或仪器接口上，鼠标指示变 为“+”形状后，移动鼠标至另一元件管脚，即完成两者之间的连接设置参数：用鼠标双击被编辑的元件，在弹出的对话框中设置元件参数；42第一种电路仿真分析方法 检查电路无误后，在编辑的工作窗口上即可点击虚拟电源开关，再用鼠标双击虚拟双踪 示波器，就能在计算机屏幕上实时显示被测量 的各种复杂电子电路的图形曲线和数据结果 同时能在展开“双踪示波器”面板上精确调整 所测量的范围和数据，即称为PC机上的“虚 拟电子实验室”其综合实验训练内容多、范围 广、效率高、效果好详见图243第二种方法从分析设置的运行多种类型仿真分析看结果431 直流工作点仿真分析，确定电路静态 图2双踪示波器上观察仿真结果工作点选择菜单“SimulateAnalysisDC Operating Point ”项在“Output Variable”翻页标签下，从Variable in Circuit”栏中选择所有的变量，按“Simulate”即可在“Analysis Graphs”窗口中显示直流仿真分析结果(该图略)0010Kh棚II|1)lM100M OG芋g芑 叠l“日，OK，M，00MJ0cFmllehfHtl图3仿真分析电路的幅频特性和相频特性图4参数扫描分析结果432交流仿真分析，可观察电子系统的幅频特性和相频特性，也可估算中频增益和上限截止频率选万方数据择菜单“SimulateAnalysisAC Analysis ”项，在“Frequency Parameters”标签下选择频率范围：1Hz一10GHz；“Sweep Type”栏：Decade；“Number of points per decade”栏：10；“Vertical scale”栏：Linear；按 “Simulate”即可在“Analysis Graphs”窗口中显示，交流仿真分析电路的幅频特性和相频特性见图3(3)参数扫描分析：选择菜单“SimulateAnalysisParameter Sweep ”项进行参数设置：步骤略分 析电阻R2的取值，以增量55KQ从51KIl线性变化到62Kll对输出的影响参数扫描分析结果见图45 Muhisim200l在远程教学中的运用在网络上我们使用Netmeetin930视频会议软件作为载体，实验证明Muhisim2001能很好地运用到 远距离教学中在远程教学中，教师主持“会议”可呼叫全体学生进入“课堂”，学生可观看教师对电路的 设计、仿真实验的整个过程，即实现“点对多”的实验教学形式；也可在网络上实现教师对学生个别辅导 实验，即实现“点对点”的实验教学形式；可实现网上共同设计、讨论和仿真实验的目的这同时为函授 教育、职业教育、继续教育提供了很好的实验教学手段6结论从目前流行的EDA软件使用情况看，Multisim2001软件具有形象而易撑握的特点，比目前高校使 用Pspice软件更方便，特别适合电子电路、EDA分析与设计的教学Multisim2001软件进入高校教学将 对提高现代教育技术水平，改善实验训练环境、提高学生的综合设计、实验的能力可解决高校普遍存在 的经费不足、实验设备不足、型号落后、难以更新换代跟上科学技术发展的困难尤其Multisim2001的多 种形象仿真实验，特别有利于向网络学校、虚拟实验延伸，促进数字化校园的建设，切实可行地提高专业素质教育参考文献：1MulfiSim User Guidenteractire Image Technology LidCanada，1999 2贾新章等著OrCADPspice9实用教程M西安：西安电子科技大学出版社199910 3解月珍，谢沅清编著电子电路计算机辅助与设计Ml北京：北京邮电大学出版社20019 4清华大学电子学教研组编模拟技术基础简明教程M)北京：高等教育出版社199810 5韩力，吴海霞，齐春东编著Electronics Workbench应用教程M北京：电子工业出版社20011 6高伟涛Pspice80电路设计实例精粹M北京：国防工业出版社20012 7梁恩主，梁思维编著Protel99 SE电路设计与仿真应用M北京：清华大学出版社200011 8顾藏知，陈战平编著数字电路与逻辑设计M成都：电子科技大学出版社19997Muitisim Software Schematic Design and Simulation AnalysisTANG Yi(Computer Science Department，Leshan Teachers College，Leshan 6 14004，China)Abstract：This thesis introduces an excellent Schematic Design and simulation analysis software na