Multisim10 在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蔣先平

（廣州航海高等?？茖W(xué)校 廣東 廣州 510725）

0 引言

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是一門繼模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)之后的實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的一門重要的課程。 它要求學(xué)生在熟練掌握本專業(yè)所學(xué)的理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，通過對(duì)小電子產(chǎn)品或電子系統(tǒng)的的部分功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)[1]，既可以鞏固電子技術(shù)方面的理論知識(shí)，又能夠?qū)μ岣唠娮与娐返脑O(shè)計(jì)水平有所幫助，還可以提高綜合分析問題和解決問題的能力。 進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及實(shí)驗(yàn)技能，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維。 為將來從事相關(guān)領(lǐng)域工程設(shè)計(jì)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著集成電路技術(shù)的日益發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷深入，電子電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析（EDA）技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為電子電路系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)的重要工具，并已成為電子學(xué)領(lǐng)域的重要分支。 與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比較，借助EDA 軟件進(jìn)行的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)， 突出了以學(xué)生為中心的開放模式，通過激發(fā)學(xué)生想象能力并進(jìn)一步嘗試各種不同的設(shè)計(jì)方案、采用不同的集成元器件，來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。 利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，首先需要根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)者的習(xí)慣選合適的擇軟件平臺(tái)，Multisim10 是在EWB 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一款專業(yè)的仿真軟件，它能真實(shí)地仿真分析實(shí)際電路的工作原理，它既是電子線路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的理想工具，更是迄今為止使用起來最直觀、最方便的仿真軟件之一。它增加了大量的VHDL 元件模型,能夠仿真更加復(fù)雜的數(shù)字元件,并且在保留了EWB 形象直觀等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,大大地加強(qiáng)了軟件的仿分析和測(cè)試的功能, 大大的增加了元件庫中的元件數(shù)目, 尤其是擴(kuò)充了大量與實(shí)際元件相對(duì)應(yīng)的元件模型,因此使仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果更加精確、更加可靠、也更加具有實(shí)用價(jià)值[3]。

1 Multisim10 的主要功能和特點(diǎn)

Multisim10 是加拿大圖像交互技術(shù)公司 （Interactive Image TechnoIigics）（簡(jiǎn)稱IIT）公司在20 世紀(jì)90 年代初推出的（Eiectronics Work Brnch）（簡(jiǎn)稱EWB）后續(xù)版本，中文又稱電子工程師仿真工作室。適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板方面的設(shè)計(jì)工作。 通過Multisim 及其虛擬儀器技術(shù)，電子學(xué)教育工作者跟PCB 設(shè)計(jì)工程師可以完成一個(gè)從理論到原理圖的捕獲與仿真再到原型的設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣完整的綜合的設(shè)計(jì)流程[2]。 該軟件具有如下特色：

1.1 具有集成化、一體化的設(shè)計(jì)環(huán)境。 在該設(shè)計(jì)環(huán)境中可以完成電路原理圖的圖形輸入、 電路硬件描述語言輸入方式，具有電路的構(gòu)建及仿真，器件的建模及仿真，系統(tǒng)的組建及其仿真等非常豐富的仿真分析能力。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)儀器豐富。 Multisim10 作為一個(gè)功能強(qiáng)大、儀器齊全的虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅為設(shè)計(jì)人員提供了常用的儀器，像示波器和萬用表等，還提供了頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等許多單位里無法提供的儀器，既方便了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作，也極大的提高了該軟件的功能。 同時(shí)，用戶還可以任意制造出屬于自己的虛擬儀器、儀表，并且在計(jì)算機(jī)的仿真環(huán)境跟實(shí)際的環(huán)境中進(jìn)行廣泛的使用。

1.3 具有強(qiáng)大的分析功能。Multisim10 為設(shè)計(jì)人員提供了19種之多的仿真分析方法，有直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析等。 這些分析功能從根本上滿足了電子電路的分析和設(shè)計(jì)要求，特別是非常具有特色的RF 電路分析功能，更是一般的EDA 軟件所不具備的。

1.4 具有非常廣泛的兼容性。Multisim10 能夠打開具有Spice內(nèi)核的其他EDA 軟件生成的網(wǎng)表文件，而且還可以把Multisim10 創(chuàng)建的電路原理圖文件轉(zhuǎn)為NET 或PLC 文件導(dǎo)出，以供Ultiboard、Protel 等PCB 軟件進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)所用。此外，Multisim 還支持Verilog 及VHDL 語言的電路仿真跟設(shè)計(jì)。

2 課題設(shè)計(jì)舉例

用Multisim10 軟件設(shè)計(jì)電子電路，無須專門學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制語言和各種輸入輸出指令, 無須編寫電子電路圖的程序,其非常接近真實(shí)的集成實(shí)驗(yàn)環(huán)境，就好像是在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)板上連接電路。 學(xué)生只要在Multisim10 軟件的電路設(shè)計(jì)窗口內(nèi)放入自己設(shè)計(jì)的虛擬的電子元件及儀器, 并且使用節(jié)點(diǎn)及連線連接相應(yīng)的虛擬儀器儀表和虛擬元器件的測(cè)量接口, 就能夠從虛擬的儀器儀表上觀察到各種仿真波形及其參數(shù)的結(jié)果，特別直觀和方便。 就以功率放大器為例,我們應(yīng)用Multisim10 軟件首先設(shè)計(jì)出功率放大器的電子電路， 然后對(duì)電路進(jìn)行仿真和分析。

2.1 設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求

設(shè)計(jì)制作出一個(gè)具有一定放大能力的低頻功率放大器，其具體的要求是：

（1）放大電路輸入信號(hào)電壓的幅值為5～700mV，負(fù)載電阻RL=8Ω；

（2）額定輸出功率大于等于12W

（3）帶寬BW 大于10kHz

（4）額定負(fù)載下，效率要大于60%。

2.2 設(shè)計(jì)方案的論證

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)低頻前置放大器和功率放大級(jí)。

指標(biāo)要求在RL=8Ω 的負(fù)載上得到的輸出功率不小于12W，則輸出電壓的峰值：

則取出的峰值約為14V。

此外， 設(shè)計(jì)要求正弦輸入信號(hào)的電壓幅值為5～700mV，則放大器總的電壓增益為：

（1）前置放大器的設(shè)計(jì)。 前置放大器選用低噪音的集成運(yùn)算放大器NE5532。 根據(jù)最大增益要求大于50dB，故采用2級(jí)放大，根據(jù)對(duì)前置放大器增益的要求，最大增益與最小增益相差懸殊，故此放大器最好做成程控放大器，或者在功率放大器與前置放大器之間增加一級(jí)信號(hào)衰減電路。 為方便調(diào)節(jié)和仿真， 在前置放大器的第一級(jí)輸出接一個(gè)可變的電阻，根據(jù)輸入信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)第二級(jí)的輸入信號(hào)， 以控制增益。 取第一級(jí)固定增益Av1=-14，第二級(jí)固定增益Av2=-23，以滿足前置放大器的最大增益為50dB。

NE5532 的單位增益帶寬為10MHz， 上面設(shè)計(jì)的前置放大器能滿足指標(biāo)中對(duì)放大器帶寬的要求。

（2）設(shè)計(jì)功率放大器。 功率放大器是整個(gè)放大器的核心，根據(jù)指標(biāo)的要求，采用分立元件構(gòu)成的放大器及集成功率放大器都可以實(shí)現(xiàn)。此方案中采用分立元件構(gòu)成的功率放大器[3]，如圖1 所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，輸出功率Po≧12W，且效率η≥60%，因此采用甲乙類功率輸出級(jí)電路。圖中Q1、Q2 構(gòu)成的差動(dòng)放大為功率放大級(jí)的輸入級(jí)，Q6 是推動(dòng)級(jí)；Q3、Q4、Q5 構(gòu)成電阻比例電流源，為推動(dòng)級(jí)和差動(dòng)放大電路提供偏置電流，Q8、Q9 構(gòu)成互補(bǔ)的推挽輸出級(jí)；Q7 和電阻R10、R11 構(gòu)成Ube 的倍增電路，為輸出級(jí)提供合適的偏置，保證輸出級(jí)工作的甲乙類狀態(tài)。 電路中交直流負(fù)反饋用于穩(wěn)定輸出電壓和擴(kuò)展頻帶。

圖1 功率放大器

3 電路的仿真測(cè)試

在Multisim10 的視窗內(nèi)構(gòu)建電路圖，逐級(jí)調(diào)試和測(cè)量[4]。

3.1 前置放大器：設(shè)輸入信號(hào)最弱時(shí)，前置放大器增益應(yīng)該最大，在Multisim10 使用波特圖儀測(cè)量其幅頻特性。

測(cè)量結(jié)果如圖2 所示，由圖可知：前置放大器的總的零頻增益為50.2dB,帶寬為BW≧300kHz。

圖2 為前置放大器總增益的幅頻特性曲線

3.2 功率放大器：將功率放大器連接到前置放大器，再使用波特圖儀對(duì)整個(gè)的低頻功率放大器特性測(cè)量。 最后得到整個(gè)低頻功率放大器的幅頻特性曲線（如圖3）。如圖可知：其中頻增益為68dB,3dB 帶寬BW＞100kHz,帶寬足以滿足要求。

圖3 為功率放大器總的幅頻特性曲線

4 結(jié)語

從以上的應(yīng)用實(shí)例可以看出, Multisim10 軟件是一款很好的電子線路仿真軟件, 把Multisim10 軟件應(yīng)用于電子電路的課程設(shè)計(jì)中,不僅可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,并且加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)電子線路的分析和綜合能力, 實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)教學(xué)手段的創(chuàng)新。

［1］鄭步生，吳渭.MuItisin 2001 電路設(shè)計(jì)及仿真人門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［2］周凱.EWB 虛擬電子實(shí)驗(yàn)室：Multisim 7&Ultiboard 7 電子電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京： 電子工業(yè)出版社, 2005.

［3］從宏壽,程衛(wèi)群,李紹銘.Multisim8 仿真與應(yīng)用實(shí)例開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007：142-145.