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Multisim 10在模擬電路實驗中的應用

2012.03.03

Multisim 10在模擬電路實驗中的應用

　　模擬電路實驗課是通過實驗手段，培養(yǎng)學生在模擬電路方面使用電子儀器、設計及調試電路等方面的實際動手能力。由于傳統(tǒng)方法受實驗設備、場地和時間限制，同時還存在著教學理念陳舊，實驗效率低等問題，所以計算機的輔助分析及仿真技術在電子實驗運用中得到了廣泛的應用。Multisim有一個完整的集成化設計環(huán)境，具有直觀的圖形界面，龐大的元器件庫，強大的仿真能力和分析功能，完善的虛擬儀器功能，從而成為各類學校電工、電子實驗教學的首選工具軟件。
　　1 建立仿真電路
　　在Multisim 10電路窗口中建立如圖1所示單管放大器仿真電路。設置信號源“XFGl”幅度為10 mV，頻率為1 kHz的正弦波信號，開關K1，K2設為閉合，K3設為打開狀態(tài)，Rw可調電位器取值為50%。
　　

　　2 靜態(tài)分析
　　當輸入信號ui=0，確定靜態(tài)工作點，求解電路中有關的電流、電壓值等。
　　2.1 萬用表測量靜態(tài)工作點
　　設置信號源輸出為O V，打開仿真開關，分別讀出萬用表"XMMl”，“XMM2"和"XMM3"的電壓值，UB=2.29 V，URC=3.314 V，UCE=7.018 V，如圖2所示。
　　

　　讀出測量值并計算靜態(tài)工作點：ICQ=1.105 mA，UCEQ=7.018 V。
　　2.2 直流工作點分析
　　直流工作點分析也是確定靜態(tài)工作點的一種方法。選擇Simulate菜單中的Analyses-DC Operating point Analysis進入設置，在設置“Output”項中選擇V(2)，V(3)和V(4)為輸出項，如圖3所示。單擊“Simulate”按鈕，顯示如圖4所示的輸出電壓值。
　　2.3 溫度變化對靜態(tài)工作點的影響
　　溫度掃描分析方法是分析溫度變化對靜態(tài)工作點的影響。設置信號源輸出為10 mV，1 kHz的正弦波信號，選擇“Simulate”菜單中的“Temperature Sweep Analysis”進入設置，在“Analysis Parameters”選項中進行起始、終止溫度的設置，如圖5所示，并單擊“EditAnalysis”按鈕，設置開始時間與結束時間，然后設定“Output”V(4)為輸出項，再進行仿真。仿真結果如圖6所示，輸出電壓V(4)隨溫度升高而下降。
　　

　　2.4 靜態(tài)工作點設置對輸出波形的影響
　　建立如圖7所示仿真電路。選擇“Simulate”菜單中的"DC Sweep Analysis”進入設置，在“Analysis Parameters”選項中，“Source 1”設置為電壓源，并修改起始、終止和增加電壓值?！癝ource 2”設置為電流源，若電流源沒有顯示，可按下“Change Filer”按鈕，選中“Display submodules"選項。這時修改起始、終止和增加電流值，如圖8所示?！癘utput”選項中選擇輸出電流Ic，若沒有顯示可按“Add device/model parameter”按鈕，在彈出對話框中的“Parameter”下拉菜單中查找。如圖9所示。
　　

　　最后進行仿真，當負載電阻為3 kΩ時，輸出特性曲線作交流負載線，估算出Q點的位置，如圖10所示。
　　當輸入信號較大時，Q點取的過高，容易產生飽和失真，反之，產生截止失真。
　　3 動態(tài)分析
　　動態(tài)分析的任務是計算輸入、輸出電阻、電壓放大倍數、最大不失真輸出電壓和幅頻特性等。
　　3.1 輸入電阻測量
　　建立如圖11所示仿真電路。打開仿真開關，雙擊“XMMl”和“XMM4”兩萬用表，并將它們切換在交流電壓檔上，再雙擊“XFGl”函數信號發(fā)生器圖標，逐步加大信號幅度，使“XMMl”萬用表顯示約10 mV左右，再讀出“XMM4”的電壓值，如圖12所示。輸入電阻(單位：kΩ)：
　　

　　3.2 輸出電阻測量
　　仿真電路如圖11所示，雙擊“XFGl”函數信號發(fā)生器圖標，將信號幅度調整為10 mV。開關K3為斷開狀態(tài)(不帶負載電阻RL)，雙擊“XSCl”示波器，打開仿真開關，讀出輸出電壓約888.7 mV，如圖13所示。按下“L”鍵，開關K3閉合(接入負載電阻RL)，打開仿真開關，讀出輸出電壓約707.0 mV，如圖14所示。輸出電阻(單位：kΩ)：
　　

　　3.3 電壓放大倍數
　　建立如圖1所示仿真電路，調整信號源輸出10 mV，1 kHz的正弦波信號。
　　3.3.1 不帶負載電阻RL
　　開關K3處于打開狀態(tài)，打開仿真開關，讀出如圖15所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=931.29 mV，Ui=9.99 mV，則電壓放大倍數Au=93.2。
　　3.3.2 帶負載電阻RL
　　開關K3處于閉合狀態(tài)，打開仿真開關，讀出如圖16所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=706.93 mV，Ui=9.99 mV，則電壓放大倍數Au=70.8。
　　

　　3.3.3 帶負載電阻RL并考慮信號源內阻
　　開關K3處于閉合、K1處于打開狀態(tài)，打開仿真開關，讀出如圖17所示示波器的輸入和輸出電壓峰值，Uo=572.56 mV，Ui=9.99 mV，則電壓放大倍數Au=57.31。
　　3.4 最大不失真輸出電壓
　　為了獲得最大的動態(tài)范圍，應將靜態(tài)工作點設置在交流負載線的中點，在放大器正常工作的情況下，逐步增大輸入信號的幅度，并同時調節(jié)靜態(tài)工作點，用示波器觀察Uo，當輸出波形同時出現失真現象時，說明靜態(tài)工作點已調在交流負載線中點，然且調整輸入信號，使輸出幅度最大，且無明顯失真時，測出Uo的同時求出最大不失真輸出電壓Uopp。
　　連接如圖1所示的仿真電路，將K3閉合處于狀態(tài)，打開仿真開關，反復調整Rw和信號源"XFGl”輸出信號大小，使得輸出電壓最大且沒有明顯失真，讀出Rw約處于23%，信號源輸出電壓20 mV最大不失真輸出電壓如圖18所示，Uopp≈3.9 V。
　　

　　3.5 放大器的幅頻率特性
　　3.5.1 頻率特性
　　放大器的頻率特性是指放大器的電壓放大倍數Au與輸入信號頻率f之間的關系曲線。分為下限頻率fl、上限頻率fh和通頻帶fbw。
　　3.5.2 幅頻特性曲線的測量
　　建立如圖19所示仿真電路，調整信號源輸出10 mV，1 kHz的正弦波信號。雙擊波特圖儀“XBPl”。打開仿真開關，如圖20所示，調整相關參數，讀出上限頻率fh=17.37 MHz，下限頻率fl=158 Hz，計算出通頻帶fbw=17.37 MHz。
　　

　　當把耦合電容C1，C2和旁路電容Ce都改為1 μF時，低頻區(qū)電壓放大倍數急劇下降，下限頻率fl=7.59 kHz，通頻帶fbw減小明顯，如圖21所示。
　　

　　如果要獲得較寬的通頻帶，可采用深度負反饋放大電路，將圖19中的K1打開，旁路電容失效，幅頻特性曲線如圖22所示，但損失了可貴的電壓放大倍數。
　　4 結語
　　放大電路中的“最大不失真輸出電壓”和“放大器的幅頻率特性”兩個概念在理論課中是比較難理解的兩個內容，通過Multisim 10軟件仿真實驗能直觀反映其結果，正確理解基本概念。通過軟件的運用，使學生了解和掌握更多電子系統(tǒng)應用的概念、知識和技術。建立起以應用能力和創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目標的學習觀念。

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