摘要：為了了解Multisim在實(shí)際電路設(shè)計(jì)與仿真中的應(yīng)用，在此以集成運(yùn)算放大器為研究對(duì)象，基于Multisim對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，針對(duì)集成運(yùn)算放大器的三種不同連接方式，分別做了同比例運(yùn)算、反相比例運(yùn)算和差分放大等三組仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其理論計(jì)算與仿真結(jié)果一致。最后，還提出了解決仿真過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題的方案，從而為從事該領(lǐng)域研究的工作者提供了一種便利。

關(guān)鍵詞：Multisim；集成運(yùn)算放大器；連接方式；仿真分析

0 引言

目前隨著國(guó)際上電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來(lái)越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來(lái)越短。以定量估算和電路試驗(yàn)為基礎(chǔ)的電路設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)，使得電子線路的沒(méi)計(jì)人員能在計(jì)算機(jī)上完成電路的功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)試直至印刷電路板的自動(dòng)生成，其中包括印制板的溫度分布和電磁兼容性測(cè)試，代表著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)潮流。

而Multisim是加拿大IIT(Interactive Image Technologies)公司在EWB(Electronics Workbench)基礎(chǔ)上推出的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件，是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。本文將對(duì)Multisim軟件在虛擬系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，從而為虛擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和電子系統(tǒng)工程提供了一種全新的于段和便捷的途徑。

1 相關(guān)工作

目前已有眾多的學(xué)者對(duì)基于Multisim的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)行了研究，相繼提出了一系列有指導(dǎo)意義的方法。如文獻(xiàn)介紹Multisim應(yīng)用軟件系統(tǒng)及在實(shí)際電路設(shè)計(jì)與仿真中的應(yīng)用。在此以實(shí)際成功的工程應(yīng)用為例，闡述Multisim在電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)踐中的運(yùn)用與研究的親身體驗(yàn)，并結(jié)合電路仿真過(guò)程中遇到的問(wèn)題，提出解決問(wèn)題的思路，給出具體解決問(wèn)題的方法。文獻(xiàn)介紹了如何應(yīng)用Multisim中Filter Wizard進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)的基本慨念和步驟。通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)例來(lái)介紹了應(yīng)用Multisim中Filter wizard設(shè)計(jì)濾波器的方法。文獻(xiàn)針對(duì)傳統(tǒng)高頻電子線路教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出在教學(xué)中引入計(jì)算仿真進(jìn)行輔助分析與設(shè)計(jì)。闡述了Multisim的主要功能與特點(diǎn)，并利用Multisim對(duì)高頻電路中的典型電路單調(diào)諧回路諧振放大器、環(huán)形調(diào)幅器進(jìn)行了仿真，各項(xiàng)結(jié)果與理論推導(dǎo)相符，形象、生動(dòng)的演示達(dá)到提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的效果。文獻(xiàn)首先簡(jiǎn)要介紹了Multisim 8軟件的特點(diǎn)，然后利用該軟件對(duì)時(shí)差分放大電路進(jìn)行仿真分析，研究其如何實(shí)現(xiàn)對(duì)差模信號(hào)放大和對(duì)共模信號(hào)抑制。仿真結(jié)果與理論分析計(jì)算一致，在課堂上使模擬電子技術(shù)教學(xué)更形象、靈活、更貼近工程實(shí)際，達(dá)到了幫助學(xué)生理解原理，更好地掌握所學(xué)的知識(shí)的目的。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)集成運(yùn)算放大器的不同連接方式，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其理論計(jì)算與仿真結(jié)果的一致性。

2 Multisim軟件的特點(diǎn)

Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。它具有如下特點(diǎn)：

(1)具有直觀的圖形界面。整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將連接起來(lái)。軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。

(2)具有一個(gè)龐大的元?dú)饧?kù)。具備如信號(hào)源、基本元?dú)饧?、模擬集成電路、數(shù)字集成電路、指示部件、控制部件等各種元?dú)饧?/p>

(3)具有強(qiáng)大的仿真能力。既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)／?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。

(4)強(qiáng)大的分析功能。提供了14種仿真分析方法，如直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、參數(shù)掃描分析、零極點(diǎn)分析、傳遞函數(shù)分析、溫度掃描分析、后處理分析等。

(5)強(qiáng)大的虛擬儀器功能。如示波器、萬(wàn)用表、瓦特計(jì)、掃描儀、失真儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、字信號(hào)發(fā)生器等。

(6)VHDL／Verilog設(shè)計(jì)輸入和仿真。Multisim軟件將VHDL／Verilog的設(shè)計(jì)和仿真包含進(jìn)去(選件)，使得大規(guī)模可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)和仿真與模擬電路、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和仿真融為一體，突破了原來(lái)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷o(wú)法與普通電路融為一體仿真的瓶頸。

(7)可以與電路板設(shè)計(jì)軟件無(wú)縫連接。Multisim軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果可以方便地導(dǎo)出到電路板設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行電路板走線。

(8)遠(yuǎn)程控制功能。Multisim軟件支持遠(yuǎn)程控制功能，不僅可以將Multisim軟件的界而共享給其他人，使得其他人在自己的計(jì)算機(jī)上看到控制者的操作情況，而且可以將控制權(quán)交給其他人，讓其操作該軟件，這樣可以實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)，是進(jìn)行電子線路教學(xué)的理想工具。

3 集成放大器仿真分析

幾乎所有的集成運(yùn)算放大器都采用差分電路作為它的放大電路。集成運(yùn)算電路最初僅僅被用來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。但是現(xiàn)在意義L的運(yùn)算放大器的概念，早己超越了數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能范疇。若它工作在線性區(qū)，則可以實(shí)現(xiàn)反相比例放大、反相求和、同相求和等電路時(shí)限運(yùn)算功能；若工作在非線性區(qū)，可以組成諸如比較器、微積分電路及多種信號(hào)發(fā)生電路等。

集成運(yùn)算放大器有三種連接方式：同相、反相和差分輸入，本文實(shí)驗(yàn)將對(duì)于三種連接方式分別進(jìn)行仿真。

(1)同相比例運(yùn)算仿真電路。打開(kāi)Multisim軟件，按照?qǐng)D1所示連接電路原理圖。

設(shè)置虛擬信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)為1 kHz，2 V正弦波信號(hào)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，如圖2所示調(diào)節(jié)虛擬示波器的參數(shù)設(shè)置，并分別觀察虛擬示波器波形圖。

不斷改變輸入電壓Vi的大小，并根據(jù)虛擬示波器讀數(shù)指針?biāo)谖恢茫x出Vt的示數(shù)，記錄，并將其與理論計(jì)算值Vm進(jìn)行比較，如表1所示。

從表1可以看到，仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本相同。另外，反相比例運(yùn)算的仿真與此類似，限于篇幅，不再詳述。

(2)差分放大電路仿真。運(yùn)行Multisim，在繪圖編輯器中選擇信號(hào)源、直流電源、三極管、電阻，創(chuàng)建雙端輸入雙端輸出差分放大電路如圖3所示，標(biāo)出電路中的結(jié)點(diǎn)編號(hào)。

該次仿真中，采用虛擬直流電壓源和虛擬晶體管，差分輸入信號(hào)采用一對(duì)峰值為5 mV、頻率為1 kHz的虛擬正弦波信號(hào)源。設(shè)置虛擬晶體管的模型參數(shù)BF=150，RB=300 Ω。

加差模信號(hào)ui1，ui2分別接入電路的左、右輸入端，電阻R1作為輸出負(fù)載，則電路的接法屬于雙入雙出。將四通道示波器XSC1的3個(gè)通道分別接在信號(hào)源ui1和負(fù)載R1兩端，如圖4所示。運(yùn)行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，調(diào)整各通道顯示比例，得差分放大電路的輸入／輸出波形如圖5所示。

采用示波器觀察和測(cè)量輸入電壓和輸出電壓值，差模信號(hào)單邊電壓，單邊輸出交流幅值約為170．124 mV(500 mV／DIV)，所以雙入雙出差分放大電路的差模放大倍數(shù)-47，與單管共射的放大倍數(shù)相同，即差分放大電路對(duì)差模信號(hào)具有很強(qiáng)的放大能力。仿真結(jié)果與題中理論計(jì)算結(jié)果相同。

另外，在圖4中，將信號(hào)源ui2的方向反過(guò)來(lái)，即加上共模信號(hào)，運(yùn)行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，調(diào)整A，B通道顯示比例?？傻萌鐖D5所示波形。

由圖5波形可知。在峰-峰14 mV(有效值為5 mV)的共模信號(hào)作用下。輸出的峰值極小，峰-峰值為13 mV，因此單邊共模放大倍數(shù)小于1。且ui1和ui2大小相等，極性相同。所以，在參數(shù)對(duì)稱且雙端輸出時(shí)，共模放大倍數(shù)等于0，說(shuō)明差分放大電路對(duì)共模信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力。顯然，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

4 仿真常見(jiàn)問(wèn)題及其解決方法

由于設(shè)計(jì)者要求是各種各樣，經(jīng)常會(huì)遇到找不到仿真元件的情況，Multisim雖然存有成千上萬(wàn)個(gè)仿真元件，但仍然不能滿足用戶的所有要求，缺一個(gè)或缺幾個(gè)都會(huì)影響仿真運(yùn)行。下面介紹幾種缺仿真元件的解決方法：

(1)用性能相近的元器件代替，但會(huì)影響其準(zhǔn)確性。

(2)通過(guò)EDAparts．com網(wǎng)站與Free Trade zone Design center聯(lián)系，從其標(biāo)稱超過(guò)120萬(wàn)的元器件中查找并購(gòu)買所需器件模型，還需對(duì)圖形。引腳進(jìn)行處理。

(3)利用Muhisim提供的元件編輯工具，對(duì)現(xiàn)有元件模型進(jìn)行編輯修改，不失為一個(gè)有效可行的方法。

(4)若自創(chuàng)建一個(gè)元件，需要設(shè)計(jì)者熟悉SPice語(yǔ)言，熟悉元件的各種電器參數(shù)等條件，且設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜。因此，作者建議設(shè)計(jì)者在遇到此類情況時(shí)，盡量避免創(chuàng)建元件。

另外，設(shè)計(jì)者在運(yùn)行仿真時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)仿真失敗提示，常見(jiàn)錯(cuò)誤及糾正方法如下：

(1)節(jié)點(diǎn)未找到或節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤。根據(jù)失敗提示，設(shè)計(jì)者須對(duì)仿真原理圖分析，找出缺失節(jié)點(diǎn)處，進(jìn)行糾正。

(2)設(shè)計(jì)規(guī)則沖突。設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的仿真原理圖與設(shè)置的電氣規(guī)則不符，通過(guò)對(duì)仿真原理圖和電氣規(guī)則的分析，根據(jù)實(shí)際情況，選擇對(duì)仿真原理圖或?qū)﹄姎庖?guī)則進(jìn)行修改。

(3)若出現(xiàn)“No convergerice in Dc analysis”信息提示，可從分析選項(xiàng)中找到Miscellaneous options菜單，選中ITL1，將其默認(rèn)值100增加到500～1 000。

(4)若出現(xiàn)“Time step too small”或者“No convergence in Ttransint analysis”，可從分析選項(xiàng)中找到Miscellaneous options菜單，選中ITIA，將其默認(rèn)值10增加到15～20。

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用Muhisim軟件對(duì)集成運(yùn)算放大器進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明仿真與理論分析和計(jì)算結(jié)果一致。另外，還針對(duì)仿真過(guò)程中可能存在的各種問(wèn)題，提出了一系列的解決方案，從而為該領(lǐng)域的研究者提供了參考。

以后的工作包括以下兩個(gè)方面：一是進(jìn)一步研究基于Multisim的門電路以及差分電路的仿真分析；二是基于Multisim進(jìn)行虛擬電子實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中。