模拟电子电路实验的调试与故障检测第五章.docx
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模拟电子电路实验的调试与故障检测第五章
第5章Multisim10仿真软件的使用
2007年初，美国NI公司推出最新的NIMultisim10版本。
Multisim10提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试等工作。
当改变电路连接或改变元件参数，对电路进行仿真时，可以清楚地观察到各种变化对电路性能的影响。
而且Multisim10软件在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真等技术方面都有更多的创新和提高。
5.1Multisim10基本操作
Multisim10基本界面如图5.1.1所示。
包括菜单栏、工具栏、元器件栏、仪器仪表栏、电路工作区等几大部分。
图5.1.1Multisim10基本界面
一、Multisim10菜单栏
12个菜单栏包括了该软件的所有操作命令。
从左至右为：
File（文件）、Edit（编辑）、View（视图）、Place（放置）、MCU、Simulate（仿真）、Transfer（文件输出）、Tools（工具）、Reports（报告）、Options（选项）、Window（窗口）和Help（帮助）。
1．File（文件）菜单
图5.1.2Multisim10文件菜单
2．Edit（编辑）菜单
图5.1.3Multisim10编辑菜单
3．View（视图）菜单
图5.1.4Multisim10视图菜单
4．Place（放置）菜单
图5.1.5Multisim10放置菜单
5．Simulate（仿真）菜单
图5.1.6Multisim10仿真菜单
6．Tools（工具）菜单
图5.1.7Multisim10仿真菜单
7．Options（选项）菜单
图5.1.8Multisim10选项菜单
8．Window（窗口）菜单
图5.1.9Multisim10窗口菜单
二、Multisim10元器件栏
元器件栏是一个浮动窗口，用鼠标右击该工具栏就可以选择不同工具栏，或者鼠标左键单击工具栏不要放，便可以随意拖动。
元器件栏包括：
电源，电阻，二极管，三极管，集成电路，TTL集成电路，COMS集成电路，数字器件，混合器件库，指示器件库，其他器件库，电机类器件库，射频器件库，导线，总线等等。
三、Multisim仪器仪表栏
Multisim10提供了21种虚拟仪器，这些虚拟仪器与现实中所使用的仪器一样，可以直接通过仪器观察电路的运行状态。
同时，虚拟仪器还充分利用了计算机处理数据速度快的优点，对测量的数据进行加工处理，并产生相应的结果。
Multisim10仪器库中的虚拟仪器如图5.1.10所示，从左至右分别是：
数字万用表（Multimeter）、失真分析仪（DistortionAnalyzer）、函数信号发生器（FunctionGenerator）、功率表（Wattmeter）、双踪示波器（Oscilloscope）、频率计（FrequencyCounter）、安捷伦函数发生器（AgilentFuncitionGenerator）、四踪示波器（Four-channelOscilloscope）、波特图示仪（BodePlotter）、IV分析仪（IVAnalyzer）、字信号发生器（WordGenerator）、逻辑转换仪（LogicConverter）、逻辑分析仪（LogicAnlyzer）、安捷伦示波器（AgilentOscilloscope）、安捷伦万用表（AgilentMultimeter）、频谱分析仪（SpectrumAnalyzer）、网络分析仪（NetworkAnalyzer）、泰克示波器（TektronixOscilloscope）、电流探针（Currentprobe）、LabVIEW仪器（LabVIEWInsturment）、测量探针（measurementprobe）。
图5.1.10仪器库
使用虚拟仪器时只需在仪器栏单击选用仪器图标，按要求将其接至电路测试点，然后双击该图标，就可以打开仪器面板进行设置和测试。
虚拟仪器在接入电路并启动仿真开关后，若改变其在电路中的接入点，则显示的数据和波形也相应改变，而不必重新启动电路，而波特图示仪和数字仪器则应重新启动电路。
1．数字万用表（Multimeter）
Multisim提供的万用表外观和操作与实际的万用表相似，可以测电流A、电压V、电阻Ω和分贝值db，测直流或交流信号。
万用表有正极和负极两个引线端，如图5.1.11所示。
图5.1.11数字万用表
2．函数发生器（FunctionGenerator）
Multisim提供的函数发生器可以产生正弦波、三角波和矩形波，信号频率可在1Hz到999MHz范围内调整。
信号的幅值以及占空比等参数也可以根据需要进行调节。
信号发生器有三个引线端口：
负极、正极和公共端。
图5.1.12函数发生器
3．功率表（Wattmeter）
Multisim提供的功率表用来测量电路的交流或者直流功率，功率表有四个引线端口：
电压正极和负极、电流正极和负极。
图5.1.13功率表
4．双通道示波器（Oscilloscope）
Multisim提供的双通道示波器与实际的示波器外观和基本操作基本相同，该示波器可以观察一路或两路信号波形的形状，分析被测周期信号的幅值和频率，时间基准可在秒直至纳秒范围内调节。
示波器图标有四个连接点：
A通道输入、B通道输入、外触发端T和接地端G。
图5.1.14双通道示波器
示波器的控制面板分为四个部分：
（1）Timebase（时间基准）
Scale（量程）：
设置显示波形时的X轴时间基准。
Xposition（X轴位置）：
设置X轴的起始位置。
显示方式设置有四种：
Y/T方式指的是X轴显示时间，Y轴显示电压值；Add方式指的是X轴显示时间，Y轴显示A通道和B通道电压之和；A/B或B/A方式指的是X轴和Y轴都显示电压值。
（2）ChannelA（通道A）
Scale（量程）：
通道A的Y轴电压刻度设置。
Yposition（Y轴位置）：
设置Y轴的起始点位置，起始点为0表明Y轴和X轴重合，起始点为正值表明Y轴原点位置向上移，否则向下移。
触发耦合方式：
AC（交流耦合）、0（0耦合）或DC（直流耦合），交流耦合只显示交流分量，直流耦合显示直流和交流之和，0耦合，在Y轴设置的原点处显示一条直线。
（3）ChannelB（通道B）
通道B的Y轴量程、起始点、耦合方式等项内容的设置与通道A相同。
（4）Tigger（触发）
触发方式主要用来设置X轴的触发信号、触发电平及边沿等。
Edge（边沿）：
设置被测信号开始的边沿，设置先显示上升沿或下降沿。
Level（电平）：
设置触发信号的电平，使触发信号在某一电平时启动扫描。
触发信号选择：
Auto（自动）、通道A和通道B表明用项应的通道信号作为触发信号；ext为外触发；Sing为单脉冲触发；Nor为一般脉冲触发。
6．波特图仪（BodePlotter）
利用波特图仪可以方便地测量和显示电路的频率响应，波特图仪适合于分析滤波电路或电路的频率特性，特别易于观察截止频率。
需要连接两路信号，一路是电路输入信号，另一路是电路输出信号，需要在电路的输入端接交流信号。
波特图仪控制面板分为Magnitude（幅值）或Phase（相位）的选择、Horizontal（横轴）设置、Vertical（纵轴）设置、显示方式的其他控制信号，面板中的F指的是终值，I指的是初值。
在波特图仪的面板上，可以直接设置横轴和纵轴的坐标及其参数。
例如：
构造一阶RC滤波电路，输入端加入正弦波信号源，电路输出端与示波器相连，目的是为了观察不同频率的输入信号经过RC滤波电路后输出信号的变化情况。
图5.1.15RC滤波器
调整纵轴幅值测试范围的初值I和终值F，调整相频特性纵轴相位范围的初值I和终值F。
图5.1.16幅频特性曲线
打开仿真开关，点击幅频特性在波特图观察窗口可以看到幅频特性曲线（如图5.1.16所示）；点击相频特性可以在波特图观察窗口显示相频特性曲线（如图5.1.17所示）。
图5.1.17相频特性曲线
11．IV分析仪（IVAnalyzer）
IV分析仪专门用来分析晶体管的伏安特性曲线，如二极管、NPN管、PNP管、NMOS管、PMOS管等器件。
IV分析仪相当于实验室的晶体管图示仪，需要将晶体管与连接电路完全断开，才能进行IV分析仪的连接和测试。
IV分析仪有三个连接点，实现与晶体管的连接。
IV分析仪面板左侧是伏安特性曲线显示窗口；右侧是功能选择。
图5.1.18晶体管特性曲线
12．失真度仪（DistortionAnalyzer）
失真度仪专门用来测量电路的信号失真度，失真度仪提供的频率范围为20Hz～100kHz。
图5.1.19失真度的测试
面板最上方给出测量失真度的提示信息和测量值。
FundamentalFreq（分析频率）处可以设置分析频率值；选择分析THD（总谐波失真）或SINAD（信噪比），单击Set按钮，打开设置窗口如图所示，由于THD的定义有所不同，可以设置THD的分析选项。
5.2Multisim10电路创建与仿真
1．电路的创建
启动multisim如图所示
图5.2.1启动multisim10
点击菜单栏上place（放置）component（或单击元器件栏的某一元器件图标），弹出如下所示的selectacomponent（选择元件）对话框
图5.2.2选择元件
选择合适的元器件，点击OK按钮，此元器件随鼠标一起移动，在工作区适当位置点击鼠标左键即可。
如果想移动元器件，则单击元件不放，便可以移动元件的位置；单击元件（就是选中元件），鼠标右键，选择要操作的功能，便可以旋转元件。
常用的元器件编辑功能有：
90Clockwise--顺时针旋转90、90CounterCW--逆时针旋转90、FlipHorizontal--水平翻转、FlipVertical--垂直翻转、ComponentProperties--元件属性等。
这些操作可以在菜单栏Edit子菜单下选择命令，也可以应用快捷键进行快捷操作。
原始图像顺时针旋转90逆时针旋转90水平翻转垂直翻转
图5.2.3元件的编辑
若元器件的值是可变的如电位器，则应选取BASIC，然后选取POTENTIOMETER（如图5.2.4），再点击OK按钮。
图5.2.4虚拟元件的使用
图5.2.5单级放大电路图
2．电路仿真
单击仪表工具栏中的万用表、双踪示波器，放置如图5.2.6所示
图5.2.6放置虚拟仪器
单击工具栏中运行按钮，便进行数据的仿真。
之后，双击
图标，就可以观察三极管e端对地的直流电压，如图5.2.7所示。
然后，单击滑动变阻器，会出现一个虚框，之后，按键盘上的A键，就可以增加滑动变阻器的阻值，shift+A便可以降低其阻值。
图5.2.7万用表的读数
双击
图标，得到5.2.8所示的波形：
图5.2.8仿真结果
如果波形太密或者幅度太小，可以调整Scale里边的数据。
附录一常用电子元器件简介
1．半导体三极管
一、三极管概述
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。
它最主要的功能是电流放大和开关作用。
三极管顾名思义具有三个电极。
二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。
其他的两个电极成为集电极（用字母c表示）和发射极（用字母e表示）。
由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。
三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。
三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。
实际上箭头所指的方向是电流的方向。
见附图2.1。
附图1.1两种晶体管
电子制作中常用的三极管有90××系列，包括低频小功率的硅管9013（NPN）、9012（PNP），低噪声管9014（NPN），高频小功率管9018（NPN）等。
它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92标准封装。
在老式的电子产品中还能见到3DG6（低频小功率硅管）、3AX31（低频小功率锗管）等，它们的型号也都印在金属的外壳上。
我国生产的晶体管有一套命名规则，介绍一下：
符号的第一部分“3”表示三极管。
符号的第二部分表示器件的材料和结构：
A_PNP型锗材料；B_NPN型锗材料；C_PNP型硅材料；D_NPN型硅材料。
符号的第三部分表示功能：
U_光电管；K_开关管；X_低频小功率管；G_高频小功率管；D_低频大功率管；A_高频大功率管。
另外，3DJ型为场效应管，BT打头的表示半导体特殊元件。
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。
三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。
当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。
集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。
三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。
二、三极管的主要参数及极性判别
（1）常用小功率三极管的主要参数（参见附表1.1）。
（2）三极管电极和管型的判别
（a）目测法
管型的判别
一般，管型是NPN还是PNP应从管壳上标注的型号来辨别。
依照部颁标准，三极管型号的第二位（字母），A、C表示PNP管，B、D表示NPN管，例如：
此外有国际流行的9011~9018系列高频小功率管，除9012和9015为PNP管外，其余均为NPN型管。
管极的判别
常用中小功率三极管有金属圆壳和塑料封装（半柱型）等外型，附图1.2介绍了三种典型的外形和管极排列方式。
附图1.2常用三极管管极排列
（b）用万用表电阻档判别
三极管内部有两个PN结，可用万用表电阻档分辨e、b、c三个极。
在型号标注模糊的情况下，也可用此法判别管型。
基极的判别
判别管极时应首先确认基极。
对于NPN管，用黑表笔接假定的基极，用红表笔分别接触另外两个极，若测得电阻都小，约为几百欧~几千欧；而将黑、红两表笔对调，测得电阻均较大，在几百千欧以上，此时黑表笔接的就是基极。
PNP管，情况正相反，测量时两个PN结都正偏的情况下，红表笔接基极。
实际上，小功率管的基极一般排列在三个管脚的中间，可用上述方法，分别将黑、红表笔接基极，既可测定三极管的两个PN结是否完好（与二极管PN结的测量方法一样），又可确认管型。
集电极和发射极的判别
确定基极后，假设余下管脚之一为集电极c，另一为发射极e，用手指分别捏住c极与b极（即用手指代替基极电阻Rb）。
同时，将万用表两表笔分别与c、e接触，若被测管为NPN，则用黑表笔接触c极、用红表笔接e极（PNP管相反），观察指针偏转角度；然后再设另一管脚为c极，重复以上过程，比较两次测量指针的偏转角度，大的一次表明IC大，管子处于放大状态，相应假设的c、e极正确。
三、三极管性能的简易测量
（1）用万用表电阻档测ICEO和β
基极开路，万用表黑表笔接NPN管的集电极c、红表笔接发射极e（PNP管相反），此时c、e间电阻值大则表明ICEO小，电阻值小则表明ICEO大。
用手指代替基极电阻Rb，用上法测c、e间电阻，若阻值比基极开路时小得多则表明β值大。
（2）用万用表hFE档测β
有的万用表有hFE档，按表上规定的极型插入三极管即可测得电流放大系数β，若β很小或为零，表明三极管己损坏，可用电阻档分别测两个PN结，确认是否有击穿或断路。
四、半导体三极管的选用
选用晶体管一要符合设备及电路的要求，二要符合节约的原则。
根据用途的不同，一般应考虑以下几个因素：
工作频率、集电极电流、耗散功率、电流放大系数、反向击穿电压、稳定性及饱和压降等。
这些因素又具有相互制约的关系，在选管时应抓住主要矛盾，兼顾次要因素。
低频管的特征频率fr一般在2.5MHz以下，而高频管的fT都从几十兆赫到几百兆赫甚至更高。
选管时应使fT为工作频率的3~10倍。
原则上讲，高频管可以代换低频管，但是高频管的功率一般都比较小，动态范围窄，在代换时应注意功率条件。
一般希望β选大一些，但也不是越大越好。
β太高了容易引起自激振荡，何况一般β高的管子工作多不稳定，受温度影响大。
通常β多选40~100之间，但低噪声高β值的管子（如1815、9011~9015等），β值达数百时温度稳定性仍较好。
另外，对整个电路来说还应该从各级的配合来选择β。
例如前级用β高的，后级就可以用β较低的管子；反之，前级用β较低的，后级就可以用β较高的管子。
集电极-发射极反向击穿电压UCEO应选得大于电源电压。
穿透电流越小，对温度的稳定性越好。
普通硅管的稳定性比锗管好得多，但普通硅管的饱和压降较锗管为大，在某些电路中会影响电路的性能，应根据电路的具体情况选用，选用晶体管的耗散功率时应根据不同电路的要求留有一定的余量。
对高频放大、中频放大、振荡器等电路用的晶体管，应选用特征频率fT高、极间电容较小的晶体管，以保证在高频情况下仍有较高的功率增益和稳定性。
附表1.1常用小功率三极管的主要参数
参数型号
（mW）
（MHz）
（mA）
（V）
（A）
（min）
积极
3DG4A
300
200
30
15
0.1
20
NPN
3DG4B
300
200
30
15
0.1
20
NPN
3DG4C
300
200
30
30
0.1
20
NPN
3DG4D
300
300
30
15
0.1
30
NPN
3DG4E
30
300
30
30
0.1
20
NPN
3DG4F
300
250
30
20
0.1
30
NPN
3DG6
100
250
20
20
0.01
25
NPN
3DG6B
300
200
30
20
0.01
25
NPN
3DG6C
100
250
20
20
0.01
20
NPN
3DG6D
100
300
20
20
0.01
25
NPN
3DG6E
100
250
20
40
0.01
60
NPN
3DG12B
700
200
300
45
1
20
NPN
3DG12C
700
200
300
30
1
30
NPN
3DG12D
700
300
300
30
1
30
NPN
3DG12E
700
300
300
60
1
40
NPN
2SC1815
400
80
150
50
0.1
20～700
NPN
JE9011
400
150
30
30
0.1
27～198
NPN
JE9013
500
625
20
0.1
64～202
NPN
JE9014
450
150
100
45
0.05
60～1000
NPN
8085
800
800
25
0.1
55
NPN
3CG14
100
200
15
35
0.1
40
PNP
3CG14B
100
200
20
15
0.1
30
PNP
3CG14C
100
200
15
25
0.1
25
PNP
3CG14D
100
200
15
25
0.1
30
PNP
3CG14E
100
200
20
25
0.1
30
PNP
3CG14F
100
200
20
40
0.1
30
PNP
2SA1015
400
80
150
50
0.1
70～400
PNP
JE9012
600
500
50
0.1
60
PNP
JE9015
450
100
450
45
0.05
60～600
PNP
3AX31A
100
0.5
100
12
12
40
PNP
3AX31B
100
0.5
100
12
12
40
PNP
3AX31C
100
0.5
100
18
12
40
PNP
3AX31D
100
100
12
12
25
PNP
3AX31E
100
0.015
100
24
12
25
PNP
2．场效应管
场效应晶体管：
英文名称为FieldEffectTransistor，缩写为FET，简称场效应管。
各类场效应管根据其沟道所采用的半导体材料，可分为N型沟道和P型沟道两种。
所谓沟道，就是电流通道。
半导体的场效应，是在半导体表面的垂直方向上加一电场时，电子和空穴在表面电场作用下发生运动，半导体表面载流子的重新分布，因而半导体表面的导电能力受到电场的作用而改变，即改变为加电压的大小和方向，可以控制半导体表面层中多数载流子的浓度和类型，或控制PN结空间电荷区的宽度，这种现象称半导体的场效应。
场效应管属于电压控制元件，这一点类似于电子管的三极管，但它的构造与工作原理和电子管是截然不同的，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有如下特点：
1）输入阻抗高；2）输入功耗小；3）温度稳定性好；4）信号放大稳定性好，信号失真小；5）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
根据构造和工艺的不同，场效应管分为结型和绝缘型两大类。
一、结型场效应管
附图2.1（a）附图2.1（b）
附图2.1（a）是结型场效应管的结构示意图。
附图2.1（b）是N型导电沟道结型场效应管的电路符号。
在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区（N区一般做得很薄），形成了两个PN结。
在N区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个P区上也做上欧姆电极，并把这两个P区连起来，就构成了一个场效应管。
从N型区引出的两个电极分别为源极S和漏极D，从两个P区引出的电极叫栅极G，很薄的N区称为导电沟道。
二、绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型两种，我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管，在正常情况下断开的称增强型效应管。
增强型场效应管特点：
当Ugs=0时漏极电流Id=0，只有当Ugs增加到某一个值时才开始导通，有漏极电流产生。
并称开始出现漏极电流时的栅源电压Ugs为开启电压。
耗尽型场效应管的特点，它可以在正或负的栅源电压（正或负偏压）下工作，而且栅极上基本无栅流（非常高的输入电阻）。
结型栅场效应管应用的电路可以使用绝缘栅型场效应管，但绝缘栅增强型场效管应用的电路不能用结型栅场效应管代替。
附录二实验室常用工具和材料的使用
1．实验室常用工具和材料的使用
为了快速而准确地安装调测电子电路，除需要电路的理论知识、实验技能之外，检查实验工具和材料是必不可少的。
一、主要工具
（1）螺丝刀
螺丝刀是用来拆卸和装配螺丝必不可少的工具，有以下几种常用的螺丝刀：
扁口螺丝刀、十字头螺丝刀、装表小螺丝刀。
螺丝刀在使用时应注意以下几点：
①根据螺丝
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