Multisim14仿真设计流程.docx
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Multisim14仿真设计流程
Multisim14仿真设计流程
用一个案例(模拟小信号放大及数字计数电路)来演示Multisim仿真大体流程,这个案例来自Multisim软件自带Samples,Multsim也有对应的入门文档(GettingStarted)。
只要用户安装了Multsim软件,就会有这样的一个工程在软件里,这样就不需要再四处搜索案例来学习。
执行菜单【File】→【Opensamples…】即可弹出“打开文件”对话框,从中找到“GettingStarted”下的“GettingStartedFinal”(Final为最终完成的仿真文件)打开即可。
此案例的难度与复杂度都不高,因为过于复杂的电路会让Multisim仿真初学者精力过于分散,难以从宏观上把握Multisim电路仿真设计流程。
在这个案例中,我们对于Multisim软件的使用操作(如调用元器件、连接元器件、编辑参数、运行仿真)都会做尽量详细的描述,以期达到尽快让新手熟悉Multisim目的,这也是为更简要阐述后续案例打基础。
本书在行文时描述的Multisim步骤操作,均使用菜单方式,事实上,大多数操作可以直接使用工具栏上的快捷按钮,读者可自行熟悉,执行的结果与菜单操作都是一致的
1电路原理
我们将要完成的仿真电路如下图所示:
2
一切不以原理为基础的仿真都是耍流氓,所以这里我们简要阐述一下原理:
以U4-741运算放大器为核心构成的同相比例放大器,对来自V1的交流信号进行放大(其中,R4为可调电阻,可对放大倍数进行调整)。
放大后的信号,一路送入示波器进行观测,另一路作为时钟脉冲信号送入U2-74LS190N(可预置同步BCD十进制加减法计数器)进行计数,计数结果输出为十进制,经U3-74LS47N(BCD-七段数码管译码器)译码后驱动七段数码管进行数字显示。
另外U2-74LS190N配置为加法器,同时将行波时钟输出第13脚(RCO)驱动发光二极管。
左下区域有两个单刀双掷开关进行计数控制,S1接到U2的第4脚(CTEN)计数使能控制引脚,低有效,当S1切换到接地(GND)时,计数才开始,否则计数停止;S2接到U2的第11脚(LOAD),也是低有效,当S2切换到接地(GND)时,就把预置数(ABCD)赋给(QAQBQCQD),这里电路配置的(ABCD)都是接地(GND),因此相当于S2开关为清零功能。
右上区域还有三个旁路电路,左侧的插座与仿真没有关系。
1.1新建仿真文件
1、首先我们打开Multsim软件,如下图所示,默认有一个名为Design1的空白文件已经打开在工作台(WorkSpace)中。
2、这个名为“Design1”的文件是没有保存的,我们先将其保存起来,并将其重新命名。
执行菜单
【File】→【Saveas】即可弹出如下图所示的“另存为”对话框,选择合适的路径,并将其命名为
“MyGettingStarted”,最后点击“保存”即可
3
3、此时的主界面应如下图所示:
可以看到之前为“Design1”的地方都已经被我们刚刚取的名称“MyGettingStarted”替换掉了
4
1.2放置元器件
仿真文件新建完成后,下一步应该将电路相关的元器件从器件库中调出来,这个案例涉及的器件有点多,请读者耐心点。
下表为本电路中所有元器件在库中的位置,熟悉Multisim软件的读者可以直接根据表XX息进行查找并调出相应的元器件。
标识符与元器件
组
系列
(RefDesandponent)
(Grop)
(Family)
LED1–LED_blue
Diodes
LED
VCC
GND-DGND
Sources
POWER_SOURCES
GRROUND
U1-SEVEN_SEG_DECIMAL_
Indicators
HEX_DISPLAY
_A_BLUE
U2–74LS190N
TTL
74LS
U3–74LS47N
R1
-200Ω
Basic
RESISTOR
R2
–8Line_Isolated
Basic
RPACK
R3
–1k
Basic
RESISTOR
R4
–50k
Basic
RESISTOR
S1,S2-SPDT
Basic
SWITCH
U4-741
Analog
OPAMP
V1–AC_VOLTAGE
Sources
SIGNAL_VOLTAGE_
SOURCES
C1
–1uF
C2
–10nF
Basic
CAP_ELECTROLIT
C3
–100uF
J1–HDR1X4
Connectors
HEADERS_TEST
如果是Multisim软件新手,可以一步步往下阅读:
1、执行菜单【Place】→【ponent】即可打开“选择元器件”(Selectaponent)对话框。
首先如下图所示选择“Indicators”组下“HEX_DISPLAY”系列中的“SEVEN_SEG_DECIMAL__A_BLUE”,再点击OK按钮即可。
5
2、此时元器件在光标上呈现为虚线等待用户确定放置的位置。
在此过程中,如果元器件有必要进行旋转或镜像等操作,可以使用通用的【Ctrl+R】、【Ctrl+X】、【Ctrl+Y】等快捷键
3、将光标移动到工作台的合适位置,再左键点击即可放置此元器件,可以看到,此元器件的标识符
是U1。
4、我们继续放置“计数器电路”的其它元器件,如下图所示:
6
7
8
9
排阻默认值为1k欧姆,我们双击排阻元器件,即可弹出如下所示的对话框,将Value值改为180即
可
10
5、放置元器件的顺序不同时,元器件标记符可能有所不同,但这不会对仿真产生影响。
完成后应如下图所示
VCC
VCC
5.0V
5.0V
LED1
R1
200Ω
R2
U2U3
CA
U1
ABCDEFGH
15
A
QA
3
7
A
OA
13
1
2
1
12
B
QB
B
OB
10
6
2
11
C
QC
C
OC
9
7
6
10
D
QD
D
OD
9
OE
4
3
15
CTEN
~LT
OF
11
5
14
LOAD
~RBI
OG
5
13
4
U/D
RCO
~BI/RBO
12
14
MAX/MIN
CLK
74LS47N
74LS190N
GND
180Ω
6、放置计数控制部分的元器件如下图所示
VCC
11
5.0V
S1
Key=Space
S2
Key=Space
GND
7、放置“模拟运算放大器”部分的元器件如下图所示:
12
VCC
5.0V
7
5
1
3
2
741
4
V1R3
0.2Vpk
1kHz
1kΩ
0°
13
U4
6
R4
50kΩ50%
Key=A
8、放置“旁路电容”部分的元器件如下图所示:
14
VCC
VCC
5.0V
5.0V
C1
C2
C3
1µF
10nF
100µF
GND
9、放置“插座”部分的元器件如下图所示:
15
VCC
J15.0V
HDR1X4
GND
1.3连接电路
所有的元器件都有用来连接其它元器件或仪器的引脚,与其它原理图或PCB设计工具不同的是,连接操作不需要特殊的工具,只要你的光标放在元器件的某个引脚上方,光标就会变成十字准线,再点击-移动-点击操作即可完成引脚的连接操作了。
1、将光标移动到电阻R2的下侧引脚上,此时光标将会变成上图所示的十字准线,点击后(放开)即有一根线粘在十字准线上,再移到U2的第13脚上再点击一下,此两个引脚之间的连接即完成了,如下图所示:
R2
200Ω
U2
15
A
QA
3
1
2
B
QB
10
6
C
QC
9
7
D
QD
4CTEN
11LOAD
5U/DRCO13
14
CLKMAX/MIN12
74LS190N
16
2、同理,将其它部分连接好,连接好后的“数字计数器”部分如下图所示:
VCC
VCC
5.0V
5.0V
LED1
CA
U1
R1
ABCDEFGH
200Ω
R2
U2
U3
15
A
QA
3
7
A
OA
13
1
2
1
12
B
QB
B
OB
10
6
2
11
C
QC
C
OC
9
7
6
10
D
QD
D
OD
9
4
OE
3
15
CTEN
~LT
OF
11
5
14
LOAD
~RBI
OG
5
13
4
U/D
RCO
~BI/RBO
12
14
MAX/MIN
CLK
74LS47N
74LS190N
GND
180Ω
3、最终连接好的电路如下图所示:
VCC
VCC
5.0V
J1
5.0V
751
3
HDR1X4
2
GND
741
4
V1
R3
.2Vpk
1kΩ
1kHz
0°
VCC
5.0V
S1
Key=Space
S2
Key=Space
GND
VCC
VCC
U4
5.0V
5.0V
C1
C2
C3
6
1µF
10nF
100µF
GND
R4
50kΩ50%
VCC
VCC
Key=A
5.0V
5.0V
LED1
CA
U1
R1
ABCDEFGH
200Ω
R2
U2
U3
15
A
QA
3
7
A
OA
13
1
2
1
12
B
QB
B
OB
10
6
2
11
C
QC
C
OC
9
7
6
10
D
QD
D
OD
9
OE
4
3
15
CTEN
~LT
OF
11
5
14
LOAD
~RBI
OG
5
13
4
U/D
RCO
~BI/RBO
12
14
MAX/MIN
CLK
74LS47N
74LS190N
GND
180Ω
1.4仿真
电路设计仿真可以提前发现设计中的错误,节省时间与成本。
这里我们首先对上步中的电路进行完
善工作。
17
1、设置单刀双掷开关S1、S2切换的快捷键。
这一步并不是必须的,在电路仿真进行时,你可以用鼠标点击开关进行位置的切换,也可以提前设置好快捷键。
双击S1,在弹出的如下对话框中Value页表项设置Keyfortoggle值,表示按下此按键时,此开关将进行切换
2、同理,将S2设置切换按键为“L”,此时应如下图所示:
3、添加示波器观察信号。
执行【Simulate】→【Instruments】→【Oscilloscope】即可添加示虚拟示波器,与放置其元器件一样,再如下图所示连接两个通道的信号即可:
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4、一切都已经准备就绪,执行菜单【Simulate】→【Run】即可开启电路的仿真了。
双击上一步中添加的示波器,即可弹出如下图所示的窗口
我们将其做适当的调整,如下图所示:
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其中,红色是AC交流信号源,峰峰值200mV,频率为1KHz,蓝色为直流输出,但是很明显,已经出现饱和失真与截止失真了。
注意:
下面我们对电路图进行了一些修改,并不是为了说明Samples是错误的,而是通过仿真结果找出后续其它应用可能遇到的问题,从而达到进一步理解Multisim仿真的目的。
波峰被削去了,是因为放大倍数过大,导致输出饱和。
我们将可调电阻R4调小,再观察一下输出,可以看到波峰已经正常了
20
波谷被削去了,是因为没有运放直流偏置,有两种办法可以解决:
第一种,将V1交流信号源的电压偏置设置为2.5V,同时将100uF电容与R3串联;
21
第二,我们可以用三个分压电阻与一个10uF隔离电容设置运放的直流中点偏置,同样,我们也必须将100uF电容与R3串联,如下所示:
C5
10µF
V1
.2Vpk
1kHz
0°
R5
VCC
22kΩ
5.0V
R7
7
5
1
100kΩ
3
2
741
R6
4
22kΩ
R3
1kΩ
C4
100µF
U4
6
R4
50kΩ15%
Key=A
两种方法的结果都是一样的,如下图所示:
22
5、下面进行AC扫描分析。
也就是交流小信号分析,用来分析仿真电路的频率响应特性,即当输入信号的频率发生变化时输出信号的变化情况。
执行菜单【Place】→【Probe】→【Voltage】后,将探针放在运放的输出端(如果放置好了,探针会呈现绿色,否则将呈现灰色),如下图所示:
6、执行菜单【Simulate】→【Analysesandsimulation】即可打开如下图所示的“分析与仿真”对话框,选择“ACSweep”项后点击Run按钮即可
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7、运行后即可弹出如下图所示的数据视图,从中可以观察幅频与相频特性。
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