EDA软件MultiSim在电工电子技术实验教学中的应用

EDA软件MultiSim在电工电子技术实验教学中的应用扬柳林陈军灵（广西大学电气工程学院，广西，南宁，530004）摘要：文章对MultiSim仿真软件进行了介绍，探讨了其在电工电子技术实验教学中的应用，利用该虚拟电子实验台辅助实验教学，可以克服传统实验中的一些不足，使实验教学更加方便、灵活、直观，能取得更好的教学效果。关键词：电子设计自动化（EDA）；虚拟电子实验台；MultiSim；仿真中图分类号：G642.4230引言在科学技术日新月异的背景下，随着教育改革的深入，如何实现教育技术现代化、教学手段现代化已经成为我国教育改革所面临的一个重要课题。目前，在电工电子技术实验教学方面，国内多数高校仍主要采用实物元器件进行硬件连线测试，大多数采用面包板或者各种现成的实验箱。这种传统的实验方式由于受实验室条件的限制，在给学生开设一些扩展型、设计型以及综合型实验时将会遇到困难，特别是新器件，新设备价格昂贵，一般院校的电子学实验室更是无法承受。随着电子设计自动化（EDA）技术的发展，开创了利用“虚拟仪器”、“虚拟器件”在计算机上进行电子电路设计和实验的新方法。目前，在这类仿真软件中，“虚拟电子实验台”——MultiSim较为优秀，其应用逐步得到推广。这种新型的虚拟电子实验技术，在创建实验电路时，元器件和测试仪器均可以直接从屏幕图形中选取，而且软件中的测试仪器的图形与实物外形基本相似。利用MultiSim仿真软件进行电工电子技术实验教学，不仅可以弥补实验仪器、元器件短缺以及规格不符合要求等因素，还能利用软件中提供的各种分析方法，帮助学生更快、更好地掌握教学内容，加深对概念、原理的理解，并能熟悉常用的电工电子仪器的测量方法，进一步培养学生的综合能力和创新能力。1虚拟电子实验台MultiSim简介Multisim是加拿大InteractiveImageTechnologies公司出品的电路模拟软件，V5以前的版本称为ElectronicsWorkbench，从V6开始改为Multisim。在教育界比较流行的Multisim2001版属于V6版本，目前Multisim的最新版本是V8。Multisim从V5到V6的功能有很大的扩充，特别是增加了VHDL和VerilogHDL模块，使它成为真正的“数模\VHDL\Verilog”的混合电路模拟软件。Multisim的主要功能和特点：Multisim具有直观、方便的操作界面，创建电路、选用元器件和虚拟测试仪器等均可直接从屏幕图形中选取，而且提供的虚拟测试仪器非常齐全，其外观与实物外形基本相似，操作这些虚拟设备如同操作真实的设备一样。Multisim极大地扩充了元件数据库，特别是大量新增的与现实元件对应的元件模型，增强了仿真电路的实用性，同时还可以新建或扩充已经有的元件库，建库所需的原器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到。Multisim具有较为完善的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳定分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。此外，还可以对被仿真电路中的元件设置各种故障，以便观察到故障情况下的电路工作状态。2用MultiSim进行虚拟实验的方法2.1构造和测试电路分为以下几个步骤：⑴根据实验内容从元件库选择元件放到工作区；⑵将工作区中的元件按照电路布局进行放置，用导线将元件连接起来，并设置好元件参数和模型；⑶在电路中需要观测的节点放置、连接电压、电流表计和示波器、信号发生器等观测仪器；⑷根据测试要求设定仪器参数，进行电路仿真、观测。2.2电路仿真运行电路创建完毕，点击“运行”开关后，就可以从示波器等测试仪器上读得电路中被测数据。整个仿真运行过程可分成以下几个步骤：⑴数据输入：将已创建的电路图结构、元器件数据读入，选择分析方法；⑵参数设置：检查输入数据的结构和性质，以及电路中的阐述内容，对参数进行设置；⑶电路分析：对输入信号进行分析，形成电路的数据值解，并将所得数据送至输出级；⑷数据输出：从测试仪器如示波器或万用表等上获得仿真运行的结果。也可以从“分析”栏中的“分析显示图”看到测量、分析的波形图。3MultiSim在电工电子实验教学中的应用举例3.1RLC串联电路的响应与状态轨迹观测（电工电路仿真实验）二阶RLC串联电路在电工电路中较为常见，但用传统的方法讲授、观测该电路的响应过程是比较抽象、复杂的，而使用Multisim对其过渡过程进行仿真分析，就可以很方便地研究其过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种状态下的响应曲线和状态轨迹。如图1所示，在Multisim工作区搭建实验电路，并设置好相关参数。图中函数发生器输出方波信号，Hzf600。用示波器观测电容两端电压，通过键盘上的“a”键，可以实时改变可调电阻R1值，从而得到三种不同状态的响应曲线，如图2所示。图1为了观测该电路的状态轨迹，需按图3搭建实验电路。图中，函数发生器输出方波信号，Hzf600；示波器置于双踪工作方式，将电容两端电压送入示波器的A端子，电感电流送入示波器的B端子，则从屏幕上就可以显示出其状态轨迹，原理与显示李萨育图形一样。为获得电感电流，加接了取样电阻R3，将电流量转变为成正比的电压量。由于电阻R3的引进，电容电压值比实际值偏大，但由于电容的阻抗3RZC，所以电阻R3带来的影响可以忽略不计。改变可调电阻R2值，便可观察振荡与非振荡情况下的状态轨迹，如图4所示。图3（a）临界阻尼（b）欠阻尼（c）过阻尼图2二阶RLC串联电路三种状态的响应曲线（a）临界阻尼（b）欠阻尼（c）过阻尼图4二阶RLC串联电路三种状态的状态轨迹3.2晶体管输出特性曲线测试(电子电路仿真实验)晶体管输出特性曲线是描述晶体管各极电流与各极电压关系的曲线，对于了解晶体管性能和晶体管电路分析是非常有用的。传统的晶体管输出特性曲线测试实验，比较繁琐，现利用MultiSim强大的仿真分析、数据后期处理功能，则可以方便、快捷地测绘出晶体管输出特性曲线。如图5所示，在MultiSim工作区中创建测试电路。点击Simulate菜单中的Analyses下的DCSweepAnalyses功能，出现图6所示对话框，按图中参数进行设置，并将vv1#branch作为outputvariables。设置完毕，点击对话框上的Simulate，得到图8所示晶体管输出特性曲线。但该曲线与习惯表示方法不同，纵坐标数据为负数，因此，再利用Multisim的后处理功能（Postprocess），将测试曲线进行简单的数学运算，即输出数据取反，便可得到习惯表示法。具体参数设置如图7对话框所示。重画后的晶体管输出特性曲线如图9所示。图5晶体管测试电路图图6DCSweepAnalyses对话框设置图7Postprocess对话框设置4结论从以上列举的仿真试验中，可以看出，用MultiSim进行电工电子虚拟实验非常方便，现象直观，结果精确。这对电工电子技术实验教学是一种很好的辅助手段。并且，还为学生进行综合性、创造性实验提供了一个广阔空间。随着MultiSim应用的推广和深入，其必将在电子工程、信息工程、电气工程、自动控制等领域的辅助教学中发挥重要作用。参考文献：[1]InteractiveImageTechnologyLtd，MultisimV7UserGuide[M]，Canada，2003．[2]郑步生，吴渭，Multisim2001电路设计及仿真入门与应用[M]，北京：电子工业出版社，2002．[3]康光华，电子技术基础（模拟部分），北京：高等教育出版社．Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。multisim9概述Multisim被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是：Multisim9与LABVIEB8的完美结合：新特点：（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；（2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上;(3)所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。Multisim9组成：1．―――构建仿真电路2．―――仿真电路环境3．multimcu------单片机仿真图8晶体管测试曲线图9晶体管输出特性曲线4．――FPGA、PLD，CPLD等仿真5．――FPGA、PLD，CPLD等仿真6．――通信系统分析与设计的模块7．――PCB设计模块：直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图8．－（自动布线模块）仿真的内容：1．器件建模及仿真；2．电路的构建及仿真；3．系统的组成及仿真；4．仪表仪器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。电路的构建及仿真：单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。系统的组成及仿真：Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。PCB的设计及制作：产品级版图的设计及制作。美国NI公司提出的理念：“把实验室装进PC机中”“软件就是仪器[编辑本段]multisim10概述●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路●通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为●借助高级电路分析,理解基本设计特征●通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试●通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。电子通信类其它常用的仿真软件：Systemview---数字通信系统的仿真Proteus――单片机及ARM仿真LabVIEW――虚拟仪器原理及仿真Multisim2001使用简介Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本书中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给