Multisim 10在模拟电路实验中的应用及研究

模拟电路实验课是通过实验手段，培养学生在模拟电路方面使用电子仪器、设计及调试电路等方面的实际动手能力。由于传统方法受实验设备、场地和时间限制，同时还存在着教学理念陈旧，实验效率低等问题，所以计算机的辅助分析及仿真技术在电子实验运用中得到了广泛的应用。Multisim有一个完整的集成化设计环境，具有直观的图形界面，庞大的元器件库，强大的仿真能力和分析功能，完善的虚拟仪器功能，从而成为各类学校电工、电子实验教学的首选工具软件。

1 建立仿真电路
在Multisim 10电路窗口中建立如图1所示单管放大器仿真电路。设置信号源“XFGl”幅度为10 mV，频率为1 kHz的正弦波信号，开关K1，K2设为闭合，K3设为打开状态，Rw可调电位器取值为50％。

2 静态分析
当输入信号ui=0，确定静态工作点，求解电路中有关的电流、电压值等。
2．1 万用表测量静态工作点
设置信号源输出为O V，打开仿真开关，分别读出万用表XMMl”，“XMM2和XMM3的电压值，UB=2．29 V，URC=3．314 V，UCE=7．018 V，如图2所示。

读出测量值并计算静态工作点：ICQ=1．105 mA，UCEQ=7．018 V。
2．2 直流工作点分析
直流工作点分析也是确定静态工作点的一种方法。选择Simulate菜单中的Analyses-DC Operating point Analysis进入设置，在设置“Output”项中选择V(2)，V(3)和V(4)为输出项，如图3所示。单击“Simulate”按钮，显示如图4所示的输出电压值。
2．3 温度变化对静态工作点的影响
温度扫描分析方法是分析温度变化对静态工作点的影响。设置信号源输出为10 mV，1 kHz的正弦波信号，选择“Simulate”菜单中的“Temperature Sweep Analysis”进入设置，在“Analysis Parameters”选项中进行起始、终止温度的设置，如图5所示，并单击“EditAnalysis”按钮，设置开始时间与结束时间，然后设定“Output”V(4)为输出项，再进行仿真。仿真结果如图6所示，输出电压V(4)随温度升高而下降。[p]

2．4 静态工作点设置对输出波形的影响
建立如图7所示仿真电路。选择“Simulate”菜单中的DC Sweep Analysis”进入设置，在“Analysis Parameters”选项中，“Source 1”设置为电压源，并修改起始、终止和增加电压值。“Source 2”设置为电流源，若电流源没有显示，可按下“Change Filer”按钮，选中“Display submodules选项。这时修改起始、终止和增加电流值，如图8所示。“Output”选项中选择输出电流Ic，若没有显示可按“Add device／model parameter”按钮，在弹出对话框中的“Parameter”下拉菜单中查找。如图9所示。

最后进行仿真，当负载电阻为3 kΩ时，输出特性曲线作交流负载线，估算出Q点的位置，如图10所示。
当输入信号较大时，Q点取的过高，容易产生饱和失真，反之，产生截止失真。

3 动态分析
动态分析的任务是计算输入、输出电阻、电压放大倍数、最大不失真输出电压和幅频特性等。[p]
3．1 输入电阻测量
建立如图11所示仿真电路。打开仿真开关，双击“XMMl”和“XMM4”两万用表，并将它们切换在交流电压档上，再双击“XFGl”函数信号发生器图标，逐步加大信号幅度，使“XMMl”万用表显示约10 mV左右，再读出“XMM4”的电压值，如图12所示。输入电阻(单位：kΩ)：

3．2 输出电阻测量
仿真电路如图11所示，双击“XFGl”函数信号发生器图标，将信号幅度调整为10 mV。开关K3为断开状态(不带负载电阻RL)，双击“XSCl”示波器，打开仿真开关，读出输出电压约888．7 mV，如图13所示。按下“L”键，开关K3闭合(接入负载电阻RL)，打开仿真开关，读出输出电压约707．0 mV，如图14所示。输出电阻(单位：kΩ)：

3．3 电压放大倍数
建立如图1所示仿真电路，调整信号源输出10 mV，1 kHz的正弦波信号。
3．3．1 不带负载电阻RL
开关K3处于打开状态，打开仿真开关，读出如图15所示示波器的输入和输出电压峰值，Uo=931．29 mV，Ui=9．99 mV，则电压放大倍数Au=93．2。
3．3．2 带负载电阻RL
开关K3处于闭合状态，打开仿真开关，读出如图16所示示波器的输入和输出电压峰值，Uo=706．93 mV，Ui=9．99 mV，则电压放大倍数Au=70．8。[p]

3．3．3 带负载电阻RL并考虑信号源内阻
开关K3处于闭合、K1处于打开状态，打开仿真开关，读出如图17所示示波器的输入和输出电压峰值，Uo=572．56 mV，Ui=9．99 mV，则电压放大倍数Au=57．31。
3．4 最大不失真输出电压
为了获得最大的动态范围，应将静态工作点设置在交流负载线的中点，在放大器正常工作的情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节静态工作点，用示波器观察Uo，当输出波形同时出现失真现象时，说明静态工作点已调在交流负载线中点，然且调整输入信号，使输出幅度最大，且无明显失真时，测出Uo的同时求出最大不失真输出电压Uopp。
连接如图1所示的仿真电路，将K3闭合处于状态，打开仿真开关，反复调整Rw和信号源XFGl”输出信号大小，使得输出电压最大且没有明显失真，读出Rw约处于23％，信号源输出电压20 mV最大不失真输出电压如图18所示，Uopp≈3．9 V。

3．5 放大器的幅频率特性
3．5．1 频率特性
放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数Au与输入信号频率f之间的关系曲线。分为下限频率fl、上限频率fh和通频带fbw。
3．5．2 幅频特性曲线的测量
建立如图19所示仿真电路，调整信号源输出10 mV，1 kHz的正弦波信号。双击波特图仪“XBPl”。打开仿真开关，如图20所示，调整相关参数，读出上限频率fh=17．37 MHz，下限频率fl=158 Hz，计算出通频带fbw=17．37 MHz。

当把耦合电容C1，C2和旁路电容Ce都改为1 μF时，低频区电压放大倍数急剧下降，下限频率fl=7．59 kHz，通频带fbw减小明显，如图21所示。

如果要获得较宽的通频带，可采用深度负反馈放大电路，将图19中的K1打开，旁路电容失效，幅频特性曲线如图22所示，但损失了可贵的电压放大倍数。

4 结语
放大电路中的“最大不失真输出电压”和“放大器的幅频率特性”两个概念在理论课中是比较难理解的两个内容，通过Multisim 10软件仿真实验能直观反映其结果，正确理解基本概念。通过软件的运用，使学生了解和掌握更多电子系统应用的概念、知识和技术。建立起以应用能力和创新能力为培养目标的学习观念。