最详细最好的Multisim仿真教程.docx
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最详细最好的Multisim仿真教程
第13章MUltiSim模拟电路仿真
本章MUltiSimIO电路仿真软件,讲解使用MUltiSim进行模拟电路仿真的基本方法。
目录
1.MUltiSim软件入门
2.二极管电路
3.基本放大电路
4.差分放大电路
5.负反馈放大电路
6.集成运放信号运算和处理电路
7.互补对称(OCL)功率放大电路
&信号产生和转换电路
9.可涮式三端集成宜流稳压电源电路
13.1MUltiSim用户界面及基本操作
13.1.1MUItiSinI用户界面
在众多的EDA仿真软件中,IVIiiltisim软件界面友好、功能强大、易学易用,受到电类设计开发人员的青睐。
MUItiSim用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表,将元器件和仪器集合为一体,是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件。
MUItiSim来源于加拿大图像交互技术公司(InteraCtiVeImageTechnologies,简称IIT公司)推岀的以WindOWS为基础的仿真工具,原名EWB。
HT公司于1988年推出一个用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件EleCtrOniCSWOrkBCnCh(电子工作台,简称EWB),以界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用而得到迅速推广使用。
1996年IIT推岀了EWB5.0版本,在EWB5.x版本之后,从EWB6.0版本开始,IIT对EWB进行了较大变动,名称改为MUItiSim(多功能仿真软件)。
Irr后被美国国家仪器(NI,NatiOnalInStrUlnentS)公司收购,软件更名为NlMUltiSinKMUItiSim经历了多个版本的升级,已经有MUItiSim2001XMUItiSin17XMUItiSim8XMUItiSim9、MUltiSimlO等版本,9版本之后增加了单片机和LabVIEW虚拟仪器的仿真和应用。
下面以MUItiSimIO为例介绍其基本操作。
图13.1-1是MUltiSimIO的用户界而,包括菜单栏、标准工具栏、主工具栏、虚拟仪器工具栏、元器件工具栏、仿真按钮、状态栏.电路图编辑区等组成部分。
主工具拦
图13.1-1MUltiSilnlO用户界而
菜单栏与WindOWS应用程序相似,如图13.1-2所示。
标准.匸具栏
仿
开关
∕⅛⅛仪器工具栏
FileEditVieWPIaCeMCUSrnJateTranSfer
仿真和分析
单片机仿.Λ
放1元舞件节A巳丁线
显示
缩辑
文件
与印制扳软件传救揺
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产用浏帘
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览助
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图13.1-2MUItiSim菜单栏
其中,OPtiOnS菜单下的GlObalPreferenCeS和ShCCtPrOPertieS可进行个性化界而设置,MUItiSimlO提供两套电气元器件符号标准:
ANSI:
美国国家标准学会,美国标准,默认为该标准,本章采用默认设置;
DIN:
徳国国家标准学会,欧洲标准,与中国符号标准一致。
工具栏是标准的WindoWS应用程序风格。
标准工具栏:
D为启」昌R
视图工具栏:
国®⑧
图13.1-3是主工具栏及按钮名称,图13.14是元器件工具栏及按钮名称,图13.1-5是虚拟仪器工具栏及仪器名称。
c⅛SS它亠血▼圏创tk>I-InUSeLiSt-*?
使用的元為件列表
修改UmbEnd注#文件创建uΞbd注释文件虚拟实验板电气<ΨJ检测
Av处理器
a形记录仪
元器件编44
⅛F衣恪検視窗设计工具絹
图13.1-3MUItiSim主工具栏
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放1总线
仇电元a件商频元址件商级外伍电珞条项元迳件放1劝率元件显示模块泯合元勞件H它M字器件ClMOS元器件TTL元器件M耳放大器放t⅛依管放⅛二极管X本元器件
图13」・4MUItiSim元器件工具栏
測⅛探针
LnbVIEw虚拟仪器
TCFrOniH示波器Agnel二示波器M二Agi一2M数字万用表加Agqm函数发生器⅛ΞE刚络分析仪頻谱分析仪搠矢⅛分析仪m•伏案⅛性分析仪isin逻轩转换仪Iult這詳分析仪\
字信号发生器數字嗾率机
伯德图仪
凹通道示波器
示波器
功率表
函数发生器
13.1∙5
项目管理器位于MUItiSimlOI作界而的左半部分.电路以分层的形式展示,主要用于层次电路的显示,3个标签为:
Hierarchy:
对不同电路的分层显示,单击“新建”按钮将生成CirCUit2电路:
Visibility:
设置是否显示电路的各种参数标识,如集成电路的引脚名;
PrOjeCtView:
显示同一电路的不同页。
13.1.2MUltiSim仿真基本操作
MUItiSimIO仿真的基本步骤为:
1.建立电路文件
2.放置元器件和仪表
3.元器件编辑
4.连线和进一步调整
5.电路仿真
6.输出分析结果
具体方式如下:
1.建立电路文件
具体建立电路文件的方法有:
•打开MllItiSimlO时自动打开空白电路文件CirCllitI,保存时可以重新命名
•菜单File/NeW
•工具栏NeW按钮
•快捷键Ctrl+N
2.放置元器件和仪表
MIlltiSimIO的元件数据库有:
主元件库(MasterDatabasc),用户元件库(USerDatabaSe),合作元件库(COrPOrateDatabase),后两个库由用户或合作人创建,新安装的MUItiSimIO中这两个数据库是空的。
放苣元器件的方法有:
•菜单PIaCeCOmPOnent
•元件工具栏:
Place/COmPOnent
•在绘图区右击,利用弹出菜单放置
•快捷键Ctrl+W
放置仪表可以点击虚拟仪器工具栏相应按钮,或者使用菜单方式。
以晶体管单管共射放大电路放置+12V电源为例,点击元器件工具栏放置电源按钮(PIaCeSource),得到如图13.1-6所示界而。
图13.1-6放置电源修改电压值为12V,如图13.1-7所示。
图13.1-7修改电压源的电压值同理,放置接地端和电阻,如图13」・8所示。
图13.1-8放置接地端
(左图)和电阻(右图)
图13.1∙9为放置了元器件和仪器仪表的效果图,其中左下角是函数信号发生器,右上角是双通道示
波器。
图13」・9放置元器件和仪器仪表
3.元器件编辑
(1)元器件参数设置
双击元器件,弹出相关对话框,选项卡包括:
•Label:
标签,RefdeS编号,由系统自动分配,可以修改,但须保证编号唯一性
•Display:
显示
•Value:
数值
•Fault:
故障设宜,Leakage漏电;ShOrt短路:
OPCn开路:
NonC无故障(默认)
•Pins:
引脚,各引脚编号、类型、电气状态
(2)元器件向导(CornPOnCntWiZard)
对特殊要求,可以用元器件向导编辑自己的元器件,一般是在已有元器件基础上进行编辑和修改。
方法是:
菜单Tools/COmPOnentWiZard,按照规定步骤编辑,用元器件向导编辑生成的元器件放置在USerDatabaSe(用户数据库)中。
4.连线和进一步调整
连线:
(1)自动连线:
单击起始引脚,鼠标指针变为“十”字形,移动鼠标至目标引脚或导线,单击,则连线完成,当导线连接后呈现丁字交叉时,系统自动在交叉点放节点(JUnCtion):
(2)手动连线:
单击起始引脚,鼠标指针变为“十”字形后,在需要拐弯处单击,可以固迩连线的拐弯点,从而设定连线路径:
(3)关于交叉点,MultiSimIO默认丁字交叉为导通,十字交叉为不导通,对于十字交叉而希望导通的情况,可以分段连线,即先连接起点到交叉点,然后连接交叉点到终点:
也可以在已有连线上增加一个右点(JUnCtion),从该i'j点引出新的连线,添加巧点可以使用菜单Place/JUnCtion,或者使用快捷键Ctrl+Jo
进一步调整:
<1)调整位垃:
单击选泄元件,移动至合适位置:
(2)改变标号:
双击进入属性对话框更改;
(3)显示节点编号以方便仿貞•结果输出:
菜单Options/ShCCtPrOPertieS∕Circuit∕NetNames,选择ShowAIh
(4)导线和节点删除:
右击/Delete,或者点击选中,按键盘Delete键。
图13.1-10是连线和调整后的电路图,图13.1-11是显示节点编号后的电路图。
图13.1-10连线和调整后的电路图
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(a)显示节点编号对话框
(b)显示节点编号后的电路图
图13.1-11电路图的节点编号显示
5.电路仿真
基本方法:
•按下仿真开关,电路开始工作,MUltiSim界而的状态栏右端出现仿真状态指示:
•双击虚拟仪器,进行仪器设置,获得仿真结果
图13.1-12是示波器界面,双击示波器,进行仪器设置,可以点击ReVerSe按钮将英背景反色•使用两个测量标尺,显示区给岀对应时间及该时间的电压波形幅值,也可以用测量标尺测量信号周期。
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图13.1-12示波器界而(右图为点击ReVerSe按钮将背景反色)
6.输出分析结果
使用菜单命令SilnUIate/Analyses,以上述单管共射放大电路的静态工作点分析为例,步骤如下:
•菜单SinnIlate∕Analyses∕DCOPeratingPOint
•选择输出节点1、4、5,点击ADD、SimUlate
图13.1-13静态工作点分析
13.2二极管及三极管电路
13.2.1二极管参数测试仿真实验
半导体二极管是由PN结构成的一种非线性元件。
典型的二极管伏安特性曲线可分为4个区:
死区、正向导通区、反向截止区、反向击穿区,二极管具有单向导电性、稳压特性,利用这些特性可以构成整流、限幅、钳位、稳压等功能电路。
半导体二极管正向特性参数测试电路如图13.2-1所示。
表13.2-1是正向测试的数据,从仿真数据可以看出:
二极管电阻值q不是固泄值,当二极管两端正向电压小,处于"死区”,正向电阻很大、正向电流很小,当二极管两端正向电圧超过死区电压,正向电流急剧增加,正向电阻也迅速减小,处于''正向导通区”。
图13.2-1二极管正向特性测试电路
表13.2-1二极管正向特性仿頁•测试数据
RW
10%
20%
30%
50%
70%
90%
Vd/mV
299
496
544
583
613
660
Id/mA
0.004
0.248
0.684
1.529
2.860
7.286
rd=Vd∕Id(欧姆)
74750
2000
795
381
214
90.58
半导体二极管反向特性参数测试电路如图13.2-2所示。
表13.2-2是反向测试的数据,从仿真数据可以看岀:
二极管反向电阻较大,而正向电阻小,故具有单向特性。
反向电压超过一泄数值(Vbr),进入"反向击穿区”,反向电压的微小增大会导致反向电流急剧增加。
表13.2-2二极管反向特性仿貞•测试数据
RW
10%
30%
50%
80%
90%
100%
Vd/mV
IOOOO
30000
49993
79982
80180
80327
Id/mA
0
0.004
0.007
0.043
35
197
rd=VdΠd(欧姆)
Oo
7.5E6
7.1E6
1.8E6
2290.9
407.8
1322二极管电路分析仿真实验
二极管是非线性器件,引入线性电路模型可使分析更简单。
有两种线性模型:
(1)大信号状态下的理想二极管模型,理想二极管相当于一个理想开关:
(2)正向压降与外加电压相比不可忽略,且正向电阻与外接电阻相比可以忽略时的恒压源模型,即一个恒压源与一个理想二极管串联。
图13.2-3是二极管实验电路,由图中的电压表可以读岀:
二极管导通电压VOn=0.617V;输出电压Vo=-2.617Vo
Ul
图13.2-3二极管实验电路(二极管为IN4148)
利用二极管的单向导电性、正向导通后其压降基本恒左的特性,可实现对输入信号的限幅,
图13.2∙4(a)是二极管双向限幅实验电路。
Vl和V2是两个电压源,根据电路图,上限幅值为:
Vl+Von,下限幅值为:
-XQ-Vom在Vi的正半周,当输入信号幅值小于(V1+Von)时,DI、D2均
截止,故VO=Vi:
当Vi大于(Vl+Von)时,Dl导通、D2截止,Vo=V1+Von^4.65V:
在Vi的负半
周,当IViIVV2+Von时,DIXD2均截止,Vo=Vi;当IViI>(V2+Von)时,D2导通.DI截止,Vo=-(V2+Von)≈-2.65VO图13.24(b)是二极管双向限幅实验电路的仿真结果,输出电圧波形与理论分
析基本一致。
(b)输出电压波形
图13.24二极管双向限幅实验电路
1323三极管特性测试
选择虚拟晶体管特性测试仪(IV-Analysis)XIVL双击该图标,弹出测试仪界面,进行相应设置,如图13.2-5所示,点击Sim-Param按钮,设程集射极电压匕的起始范圉、基极电流人的起始范囤,以及基极电流增加步数NUnVStePS(对应特性曲线的根数),单击仿真按钮,得到一簇三极管输岀特性曲线。
右击英中的一条曲线,选择ShoWSeleCtmarts,则选中了某一条特性曲线,移动测试标尺,则在仪器界而下部可以显示对应的基极电流你、集射极电压匕八集电极电流/(.O根据测得的仏和人值,可以汁
算出该工作点处的直流电流放大倍数0,根据测得的△人和可以汁算岀交流电流放大倍数0。
XIVI
II3
2N2222A
66.872∏∙A
IBJTNPNVJ
CUrrentRange(A)LogIILin
图13.2-5用晶体管特性测试仪测疑三极管特性
乡IVAnaIyZer-XIVI
201.163
-19.255
VoltageRaDge(V)
Log11~Lin
13.3单管基本放大电路
13.3.1共射放大电路仿真实验
放大是对模拟信号最基本的处理,图13.3J是单管共射放大电路(NPN型三极管)的仿真电路图。
图13.3-1单管共射放大电路(NPN型三极管)
进行直流工作点分析,采用菜单命令SiInUlate∕Analysis∕DCOPeratingPoint,在对话框中设置分析ι*/点及电压或电流变量,如图13.3-2所示。
图13.3-3是直流工作点分析结果。
图133-2直流工作点分析对话框
图13.3-3直流工作点分析结果
当静态工作点合适,并且加入合适幅值的正弦信号时,可以得到基本无失真的输岀,如图13.3∙4
图13.3∙4单管共射放大电路输入输出波形
但是,持续增大输入信号,由于超岀了晶体管工作的线性工作区,将导致输出波形失真,如图13.3-5
(a)所示•图13.3-5(b)是进行傅里叶频谱分析的结果,可见输出波形含有髙次谐波分量。
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(a)输出波形失真(b)傅里叶频谱分析结果
图13.3-5增大输入后的失真输出波形及其频谱分析结果
静态工作点过低或者过髙也会导致输出波形失真,如图13.3∙6所示,由于基极电阻心过小,导致基
极电流过大,静态工作点靠近饱和区,集电极电流也因此变大,输岀电压Vo=Vce-IeRe,大的集电极
电流导致整个电路的输出电压变小,因此从输岀波形上看,输岀波形的下半周趋于被削平了,属于饱和失真。
图13.3-6减小Rb后的失真输岀波形
13.3.2场效应管放大电路仿真实验
1.场效应管的转移特性
场效应管的转移特性指漏■源电压VM固左时,栅■源电压叫;S对漏极电流匚的控制特性.即iD=/(VGS)IvnS^flA.lan,,按照图13.3-7搭建N沟道增强型场效应管转移特性实验电路,单击MUltiSimIO菜单"Simulate/AnalySes/DCSWeeP..√,选择直流扫描分析功能,在弹出的对话框“AnalysisParameters”中设置所要扫描的直流电源”GS,并设置起始和终止值、步长值,在“Oinpin”选项卡中选择节点2的电压V⑵为分析节点•由于源极电阻Rs=IC,所以电压V[2]的数值等于源极电流,也等于漏极电流B。
由图13.3-7(b)可知,N沟道增强型场效应管2N7OO2的开启电压VGS(Ih)≈2Va
(a)仿真电路
(b)转移特性仿貞•结果
图13.3-7场效应管转移特性直流扫描分析
2.场效应管共源放大电路
图13.3-8是场效应管共源放大电路仿真实验电路图,调整电阻Re和尺朋构成的分圧网络可以改变
vg5q,从而改变电压放大倍数。
此外,改变电阻Rd、儿也可改变输出电压。
(a)仿真电路
(b)输入和输出电压波形
图13.3-8场效应管共源放大电路仿貞.
13.4放大电路指标测量
13∙4∙1输入电阻测:
万用表可以测量交直流电压、交直流电流、电阻.电路中两个宵点之间的分贝损耗,不需用戸设置疑程,参数默认为理想参数(比如电流表内阻为0),用户可以修改参数。
点击虚拟仪器万用表(MUItimeter),接入放大电路的输入回路,本例中将万用表设置为交流,测得的是有效值(RMS值)。
由于交流输入电阻要在合适的静态工作点上测量,所以直流电源要保留。
由图13.4-1可见,测得输入回路的输入电压有效值为3.536mV,电流为2.806μA,输入电阻
V1-3.536
&=—==1.260KIO
ii2.806
在实验室中进行的实物电路的输入电阻测量要采用间接测量方法,这是因为实际的电压表、电流表都不是理想仪器,电流表内阻不是0,而电圧表内阻不是无穷大。
(a)输入电阻测量电路
电流测量结果
(b)电压、
图13.4-1放大电路输入电阻测捲电路图
3.536mV
I■[2.306UA
≡AIVΩdB
1BdjdJlJ2d
13.4.2输出电阻的测量
采用外加激励法,将信号源短路,负载开路,在输岀端接电压源,并测量电压、电流,如图13.42所示。
由图13.4-2可见,测得输岀回路的激励电压有效值为707.106mV,电流为517.861uA,输出电阻
707.106
517.861
(a)输出电阻测量
(b)电压、电流测量结果
图13.4-2放大电路输出电阻测疑电路图
1343幅频特性的测量
可以用示波器测量放大电路的增益,以电阻分压式共射放大电路为例,图13.4-3(a)是测量电压放大倍数的电路图,图∣3.4-3(b)是示波器输出波形。
移动测试标尺可以读出输入输出波形幅值,进而计算出电压放大倍数,但是,可以发现,标尺处于不同位置计算岀的结果不同,仅可作为估计值,此外,输出波形与输入波形相比,存在一左相移,不是理想的反相,即发生了相移,相移大小与频率有关,这就是该放大电路的相频特性。
除了用示波器进行放大倍数测量的方法。
还有两种方法:
扫描分析法和波特仪测量法。
XSCl
(a)(b)
图13.4-3分压式共射放大电路放大倍数的测量
1.扫描分析法
由菜单