1、Multisim仿真軟體簡介
Multisim是美國NI公司推出的一款原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟體，適合電子技術教學。利用Multisim對電子電路進行虛擬仿真，有助於通過簡化電路模型來學習電子電路中的基本概念、基本理論和基本方法。在利用軟體Multisim對模擬電子電路分析和仿真時應明確如下問題。（1）應用Multisim仿真工具進行電路仿真的基礎是建立相應的電路模型，搭建電路原理圖，定性分析電路中元器件的參數要求。（2）模擬電子電路的分析是利用理論分析和仿真分析對電路設計進行分析，明確該電路要分析的基本概念，進而指導電路調試和測試。理論分析是指理解電路的工作原理、明確電路的功能特點、建立電路的等效模型，即將非線性的半導體器件進行線性等效。根據電路理論，估算該電路的重要基本概念，如基本放大電路需要估算電路的電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻等重要參數。（3）仿真分析需要考慮半導體器件的非線性特性，分析結果在一定程度上接近理論分析，是比較精確的計算，可將理論分析作為指導進行仿真分析。理論分析和仿真分析相結合，可用於試驗性的電路設計，邊仿真邊設計電路中元器件的參數，達到電路設計的要求。
2、基於Multisim仿真軟體的教學實例
2.1理論分析
一個實際放大電路的構成要滿足直流通路和交流通路都正確這個條件。直流通路為偏置電路，保證放大電路有合適的靜態工作點Q。而交流通路則決定了放大電路的組態，保證輸入信號能夠加入放大電路，輸出信號能夠正常取出，最終實現放大。構建共射基本放大電路，如圖1所示。給定三極體的UBE=0.7V，β=50，rbb'=300Ω。直流通路和小信號等效電路如圖1（b）和圖1（c）所示。（1）直流分析：根據輸入迴路和輸出迴路，計算靜態工作點的電壓和電流如下：基極電流IBQ=26μA，集電極、發射極電流ICQ=IEQ=1.3mA，管壓降UCEQ=5.5V。（2）交流分析：根據小信號等效電路，計算性能指標如下：電壓放大倍數≈-94.7，輸入電阻Ri≈1.32kΩ，輸出電阻Ro=5kΩ。
2.2仿真分析
Multisim提供的虛擬三極體（BJT_NPN_VIRTUAL）採用的是低頻小信號模型，其特性接近理想三極體。電路仿真中使用虛擬三極體，其參數輸入電阻為0，電流放大倍數恆定，輸入與輸出特性均為線性，器件特性與頻率無關。搭建仿真電路，如圖2所示，選擇虛擬三極體，雙擊彈出三極體「屬性」編輯窗口，在其中的「編輯模型」對話框中編輯參數，更改β=BE=50，rbb'=RB=300Ω=0.3kΩ。其他元器件參數選取參照圖1。（1）直流分析。利用Multisim10基本分析方法中的直流工作點分析法（DCOperatingPoint）來分析電路的靜態工作點Q設置情況。啟動「仿真」，單擊「分析」功能中的「直流工作點分析」命令，打開Multisim10的「直流工作點分析」對話框，如圖3所示。單擊「輸出」選項，添加仿真變量到右邊選項框，然後單擊「仿真」按鈕，系統自動顯示運行結果，如圖4所示。根據圖4可知，各個仿真節點的變量含義為V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V，I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA。（2）交流分析。給定10mV/10kHz的正弦波輸入信號，將輸入信號和輸出信號連接到虛擬儀器示波器，打開仿真開關，雙擊示波器得到輸入和輸出信號波形，如圖5所示。根據輸入、輸出波形標尺線處的讀數，計算電壓放大倍數為根據輸入電阻Ri的定義，Ri=Ui/Ii，其中Ui是輸入埠的電壓，Ii是輸入埠的電流。在放大電路的輸入迴路接入電壓表和電流表，仿真時利用電壓表測量輸入埠基極和發射極之間的電壓為7.071mV；利用電流表測量輸入埠基極的電流為5.439μA，如圖6所示。可得放大電路的輸入電阻為Ri=7.071mV/5.439μA=1.3kΩ。注意在使用萬用表測量電壓和電流時要設置為相應的電壓、電流作為電壓表和電流表，以及設置為交流來測量。在輸出迴路採用外加電壓方法，斷開負載電阻，將電路中的信號源置零，在輸出端接入一個10mV/10kHz的正弦信號源，同時在輸出端接入電流表用來測量埠電流，接入電壓表用來測量埠電壓，單擊「仿真」按鈕，雙擊電流表及電壓表，創建的電路如圖7所示，可得放大電路R0=10mV/2μA=5kΩ。
2.3分析總結
（1）直流分析的目的是估算或測試靜態工作點Q，確定三極體是否工作在放大區。當Q點過高時會產生飽和失真，當Q點過低時會產生截止失真。該電路的直流偏置電路為固定偏置電路，若出現飽和失真，可增大Rb電阻，使Q點沿交流負載線向下移動；若出現截止失真，可減小Rb電阻，使Q點沿交流負載線向上移動。直流分析的內容是輸入迴路的電流IBQ和電壓UBEQ，輸出迴路的電流ICQ和電壓UCEQ。根據理論分析估算可知，集電極電流ICQ=1.3mA，管壓降UCEQ=5.5V；而仿真分析得到的參數為：I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA，V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V。可知靜態工作點Q位置合適，保證放大電路能夠正常工作。對比結果可知理論估算和仿真分析的結果近乎相等。理論估算時給定UBE=0.7V，β==50為一個常數，沒有考慮三極體的非線性，所以不是精確計算。而仿真分析是根據三極體的模型分析驗證，考慮了三極體的非線性問題。（2）交流分析的目的是觀察輸入信號和輸出信號的關係，分析的內容是放大電路電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻等性能指標。三極體放大電路的放大作用是利用三極體的基極對集電極電流的控制來實現的，從而將直流電源所提供的能量轉化為負載所需要的能量。放大的實質是能力的控制和轉換，是對變化量的放大。（3）仿真分析與理論分析的結論相一致，驗證了理論分析的正確性。
3、結語
模擬電子電路教學中引入Multisim仿真，使原本枯燥、抽象的教學內容變得形象、生動，加深了學員對理論知識的理解，提高了學員自行仿真分析和設計的學習興趣和教學效果。仿真教學手段是教學改革的成功嘗試，涉及電子電路的課程都可以嘗試仿真的輔助教學方法，目前少學時課程的教學方法研究仍在繼續，教學模式多樣但最終的目的都是提高教學質量，讓學員在輕鬆的學習過程中有所收穫。
作者：張增吉 馬麗梅 單位：中國中材國際工程股份有限公司 解放軍理工大學通信工程學院
Multisim是美國NI公司推出的一款原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟體，適合電子技術教學。利用Multisim對電子電路進行虛擬仿真，有助於通過簡化電路模型來學習電子電路中的基本概念、基本理論和基本方法。在利用軟體Multisim對模擬電子電路分析和仿真時應明確如下問題。（1）應用Multisim仿真工具進行電路仿真的基礎是建立相應的電路模型，搭建電路原理圖，定性分析電路中元器件的參數要求。（2）模擬電子電路的分析是利用理論分析和仿真分析對電路設計進行分析，明確該電路要分析的基本概念，進而指導電路調試和測試。理論分析是指理解電路的工作原理、明確電路的功能特點、建立電路的等效模型，即將非線性的半導體器件進行線性等效。根據電路理論，估算該電路的重要基本概念，如基本放大電路需要估算電路的電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻等重要參數。（3）仿真分析需要考慮半導體器件的非線性特性，分析結果在一定程度上接近理論分析，是比較精確的計算，可將理論分析作為指導進行仿真分析。理論分析和仿真分析相結合，可用於試驗性的電路設計，邊仿真邊設計電路中元器件的參數，達到電路設計的要求。
2、基於Multisim仿真軟體的教學實例
2.1理論分析
一個實際放大電路的構成要滿足直流通路和交流通路都正確這個條件。直流通路為偏置電路，保證放大電路有合適的靜態工作點Q。而交流通路則決定了放大電路的組態，保證輸入信號能夠加入放大電路，輸出信號能夠正常取出，最終實現放大。構建共射基本放大電路，如圖1所示。給定三極體的UBE=0.7V，β=50，rbb'=300Ω。直流通路和小信號等效電路如圖1（b）和圖1（c）所示。（1）直流分析：根據輸入迴路和輸出迴路，計算靜態工作點的電壓和電流如下：基極電流IBQ=26μA，集電極、發射極電流ICQ=IEQ=1.3mA，管壓降UCEQ=5.5V。（2）交流分析：根據小信號等效電路，計算性能指標如下：電壓放大倍數≈-94.7，輸入電阻Ri≈1.32kΩ，輸出電阻Ro=5kΩ。
2.2仿真分析
Multisim提供的虛擬三極體（BJT_NPN_VIRTUAL）採用的是低頻小信號模型，其特性接近理想三極體。電路仿真中使用虛擬三極體，其參數輸入電阻為0，電流放大倍數恆定，輸入與輸出特性均為線性，器件特性與頻率無關。搭建仿真電路，如圖2所示，選擇虛擬三極體，雙擊彈出三極體「屬性」編輯窗口，在其中的「編輯模型」對話框中編輯參數，更改β=BE=50，rbb'=RB=300Ω=0.3kΩ。其他元器件參數選取參照圖1。（1）直流分析。利用Multisim10基本分析方法中的直流工作點分析法（DCOperatingPoint）來分析電路的靜態工作點Q設置情況。啟動「仿真」，單擊「分析」功能中的「直流工作點分析」命令，打開Multisim10的「直流工作點分析」對話框，如圖3所示。單擊「輸出」選項，添加仿真變量到右邊選項框，然後單擊「仿真」按鈕，系統自動顯示運行結果，如圖4所示。根據圖4可知，各個仿真節點的變量含義為V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V，I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA。（2）交流分析。給定10mV/10kHz的正弦波輸入信號，將輸入信號和輸出信號連接到虛擬儀器示波器，打開仿真開關，雙擊示波器得到輸入和輸出信號波形，如圖5所示。根據輸入、輸出波形標尺線處的讀數，計算電壓放大倍數為根據輸入電阻Ri的定義，Ri=Ui/Ii，其中Ui是輸入埠的電壓，Ii是輸入埠的電流。在放大電路的輸入迴路接入電壓表和電流表，仿真時利用電壓表測量輸入埠基極和發射極之間的電壓為7.071mV；利用電流表測量輸入埠基極的電流為5.439μA，如圖6所示。可得放大電路的輸入電阻為Ri=7.071mV/5.439μA=1.3kΩ。注意在使用萬用表測量電壓和電流時要設置為相應的電壓、電流作為電壓表和電流表，以及設置為交流來測量。在輸出迴路採用外加電壓方法，斷開負載電阻，將電路中的信號源置零，在輸出端接入一個10mV/10kHz的正弦信號源，同時在輸出端接入電流表用來測量埠電流，接入電壓表用來測量埠電壓，單擊「仿真」按鈕，雙擊電流表及電壓表，創建的電路如圖7所示，可得放大電路R0=10mV/2μA=5kΩ。
2.3分析總結
（1）直流分析的目的是估算或測試靜態工作點Q，確定三極體是否工作在放大區。當Q點過高時會產生飽和失真，當Q點過低時會產生截止失真。該電路的直流偏置電路為固定偏置電路，若出現飽和失真，可增大Rb電阻，使Q點沿交流負載線向下移動；若出現截止失真，可減小Rb電阻，使Q點沿交流負載線向上移動。直流分析的內容是輸入迴路的電流IBQ和電壓UBEQ，輸出迴路的電流ICQ和電壓UCEQ。根據理論分析估算可知，集電極電流ICQ=1.3mA，管壓降UCEQ=5.5V；而仿真分析得到的參數為：I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA，V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V。可知靜態工作點Q位置合適，保證放大電路能夠正常工作。對比結果可知理論估算和仿真分析的結果近乎相等。理論估算時給定UBE=0.7V，β==50為一個常數，沒有考慮三極體的非線性，所以不是精確計算。而仿真分析是根據三極體的模型分析驗證，考慮了三極體的非線性問題。（2）交流分析的目的是觀察輸入信號和輸出信號的關係，分析的內容是放大電路電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻等性能指標。三極體放大電路的放大作用是利用三極體的基極對集電極電流的控制來實現的，從而將直流電源所提供的能量轉化為負載所需要的能量。放大的實質是能力的控制和轉換，是對變化量的放大。（3）仿真分析與理論分析的結論相一致，驗證了理論分析的正確性。
3、結語
模擬電子電路教學中引入Multisim仿真，使原本枯燥、抽象的教學內容變得形象、生動，加深了學員對理論知識的理解，提高了學員自行仿真分析和設計的學習興趣和教學效果。仿真教學手段是教學改革的成功嘗試，涉及電子電路的課程都可以嘗試仿真的輔助教學方法，目前少學時課程的教學方法研究仍在繼續，教學模式多樣但最終的目的都是提高教學質量，讓學員在輕鬆的學習過程中有所收穫。
作者：張增吉 馬麗梅 單位：中國中材國際工程股份有限公司 解放軍理工大學通信工程學院
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