《电路》课程教学资源（文献资料）Multisim电路仿真.pdf_大学文库

附录A1Multisim电路仿真A1.1Multisim软件仿真功能A1.1.1Multisim介绍Multisim是NationalInstruments公司电路分析与仿真软件，属于该公司电子设计自动化软件套装的一部分，可以进行原理图或硬件描述语言输入、模拟和数字电路仿真和设计。该软件以前的版本称为ElectronicsWorkbench。对于模拟电路的仿真计算厂泛采用采用1972年由美国加州大学伯克利分校设计的SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）程序。仿真是利用数学方法模仿电路的行为。对电路模型的分析仿真需要完成复杂的算法，而现代电路仿真工具隐藏了复杂的计算过程，提供给使用者方便的图形界面。目前有多种基于SPICE算法的电路仿真工具，Multisim是其中之一。Multisim的突出特点是其直观的图形界面，在计算机屏幕上模仿出真实实验室的工作台，提供虚拟仪器测量和元件参数实时交互方法。在Multisim软件图形化环境中，可以方便地调用各种仿真元器件模型，创建电路，执行多种电路分析功能。软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果，并可以交互控制电路的运行与测量过程。针对本课程的内容和特点，这里介绍的内容仅限于该软件的模拟电路分析仿真功能，仿真的对象主要是线性电路、简单非线性电路和由通用运算放大器构成的电路。有关Multisim应用的更详尽介绍可参考其他书籍。A1.1.2Multisim操作界面1.软件界面启动Multisim，可以看到其主窗口。它由菜单、常用工具按钮、元件选取按钮、仪器选取按钮、原理图编辑窗口、图形分析窗口等组成，如图A-1所示。从图中可以看到，Multisim模仿了一个实际的电子工作台，其中最主要的窗口区域是原理图窗口，在这里可以进行电路的连接和测试。工作区的上面和两侧是菜单、操作工具栏元件库工具栏和虚拟仪器工具栏等。菜单栏包括了软件的所有操作命令，而各个工具栏则包含了常用的操作命令快捷按钮。Multisim的各类快捷工具栏可以设置显示或关闭，图A-I中只显示了与电路仿真相关的一些工具栏

附录 A1 Multisim 电路仿真 A1.1 Multisim 软件仿真功能 A1.1.1 Multisim 介绍 Multisim 是 National Instruments 公司电路分析与仿真软件，属于该公司电子设计自动化软件套装的一部分，可以进行原理图或硬件描述语言输入、模拟和数字电路仿真和设计。该软件以前的版本称为 Electronics Workbench。对于模拟电路的仿真计算广泛采用采用 1972 年由美国加州大学伯克利分校设计的 SPICE （Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）程序。仿真是利用数学方法模仿电路的行为。对电路模型的分析仿真需要完成复杂的算法，而现代电路仿真工具隐藏了复杂的计算过程，提供给使用者方便的图形界面。目前有多种基于 SPICE 算法的电路仿真工具，Multisim 是其中之一。 Multisim 的突出特点是其直观的图形界面，在计算机屏幕上模仿出真实实验室的工作台，提供虚拟仪器测量和元件参数实时交互方法。在 Multisim 软件图形化环境中，可以方便地调用各种仿真元器件模型，创建电路，执行多种电路分析功能。软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果，并可以交互控制电路的运行与测量过程。针对本课程的内容和特点，这里介绍的内容仅限于该软件的模拟电路分析仿真功能，仿真的对象主要是线性电路、简单非线性电路和由通用运算放大器构成的电路。有关 Multisim 应用的更详尽介绍可参考其他书籍。 A1.1.2 Multisim 操作界面 1．软件界面启动 Multisim，可以看到其主窗口。它由菜单、常用工具按钮、元件选取按钮、仪器选取按钮、原理图编辑窗口、图形分析窗口等组成，如图 A-1 所示。从图中可以看到，Multisim 模仿了一个实际的电子工作台，其中最主要的窗口区域是原理图窗口，在这里可以进行电路的连接和测试。工作区的上面和两侧是菜单、操作工具栏、元件库工具栏和虚拟仪器工具栏等。菜单栏包括了软件的所有操作命令，而各个工具栏则包含了常用的操作命令快捷按钮。Multisim 的各类快捷工具栏可以设置显示或关闭，图 A-1 中只显示了与电路仿真相关的一些工具栏

附录A1Multisim电路仿真4+享车MSE星+国Y格的长d7 0rcNI电模T基二晶杂混指功杂复射机板管M源?体拟T合率项器杂频器测项数示器电器OS器无管集集量L源成数伴件部字成件件设元件件电数电电字集路字路路成集电成路电路图A-4元件工具栏4.虚拟元件Multisim提供的元器件模型中，有些同时有两类模型，一类用于电路设计过程，元件模型参数与实际元器件具体型号相对应，具有生产厂家提供的典型值或标称值。另外一类元件称为虚拟元件（Virtualcomponent），在元件选择对话框中用绿色图标表示。虚拟元件不与具体实际元器件型号对应，而是提供一个通用模型，在电路中不同实例的所有参数皆可以单独修改。这一类元件特别适用于一般理论分析和电路仿真。Multisim对常用的一些虚拟元件给如图A-5所示。出了分类快捷按钮工具栏，国国·国国·国·回国国国国?三模基二晶测杂电带信极限号源维极项拟本体量源形器集无管管装参数器置象成源件器电元件件路件图A-5虚拟元件工具栏5.仪器工具Multisim提供虚拟仪器仪表用来监测和显示分析的结果，仪器工具栏中的按钮用来向工作区中放置虚拟仪器。图A-6是该工具栏水平放置时显示的工具栏和对应的仪器仪表。8M国一二Oto1.49VIV四逻数Au双波4数逻失频网安函安泰电压电流探针字捷克示数特通通特字字辑辑曲真谱络捷捷多图信表道道频字分转线分分分伦伦伦波用号示示发析析4信多示仪率换分表发号用器波波计仪器析仪仪仪波生器发生器器器仪表器器图A-6仪器工具栏将适当的Multisim虚拟仪器连接在仿真电路中，可以将电路求解结果不断显示在电路连接的虚拟仪器上，在Multisim中称为交互仿真模式（Simulation）。仿真就像对电路进行虚拟实验或测试，是Multisim软件的特色。电路中连接的虚拟仪器决定了Multisim需要进行计算

附录 A1 Multisim 电路仿真 4 电源基本无源元件二极管晶体管模拟集成电路 T T L 数字集成电路 C M O S 数字集成电路杂项数字电路混合集成电路指示器件功率器件杂项器件复杂外设射频器件机电器件 NI 测量部件图 A-4 元件工具栏 4．虚拟元件 Multisim 提供的元器件模型中，有些同时有两类模型，一类用于电路设计过程，元件模型参数与实际元器件具体型号相对应，具有生产厂家提供的典型值或标称值。另外一类元件称为虚拟元件（Virtual component），在元件选择对话框中用绿色图标表示。虚拟元件不与具体实际元器件型号对应，而是提供一个通用模型，在电路中不同实例的所有参数皆可以单独修改。这一类元件特别适用于一般理论分析和电路仿真。Multisim 对常用的一些虚拟元件给出了分类快捷按钮工具栏，如图 A-5 所示。三维形象器件模拟集成电路基本无源元件二极管晶体管测量装置杂项器件电源带极限参数器件信号源图 A-5 虚拟元件工具栏 5．仪器工具 Multisim 提供虚拟仪器仪表用来监测和显示分析的结果，仪器工具栏中的按钮用来向工作区中放置虚拟仪器。图 A-6 是该工具栏水平放置时显示的工具栏和对应的仪器仪表。数字多用表函数信号发生器瓦特表双通道示波器四通道示波器波特图仪数字频率计数字字发生器逻辑分析仪逻辑转换器 IV 曲线分析仪失真分析仪频谱分析仪网络分析仪安捷伦信号发生器安捷伦示波器安捷伦多用表泰克示波器电压电流探针数字多用表函数信号发生器瓦特表双通道示波器四通道示波器波特图仪数字频率计数字字发生器逻辑分析仪逻辑转换器 IV 曲线分析仪失真分析仪频谱分析仪网络分析仪安捷伦信号发生器安捷伦示波器安捷伦多用表泰克示波器电压电流探针图 A-6 仪器工具栏将适当的 Multisim 虚拟仪器连接在仿真电路中，可以将电路求解结果不断显示在电路连接的虚拟仪器上，在 Multisim 中称为交互仿真模式（Simulation）。仿真就像对电路进行虚拟实验或测试，是 Multisim 软件的特色。电路中连接的虚拟仪器决定了 Multisim 需要进行计算

5附录AlMultsim电路仿真和仿真的类型。A1.1.3电路分析与仿真步骤用Multisim分析和仿真电路的主要步骤包括：建立电路，调整元件参数，连接仪器进行虚拟测量，或设定分析功能和选项后对电路进行分析。以下用一个例子简要说明这个过程。1.输入电路原理图首先要放置元件。为此，可以利用元件工具栏，在其中点击元件图表来选择，拖放到电路图中。注意，由于仿真软件采用结点法分析，电路中必须要安置和连接一个接地符号。元件放置到电路图中后，用鼠标点击元件端子拉出导线，连接到另一个元件端子完成导线连接，形成电路结点。在电路区中点右键，在菜单中选Properties菜单项，在弹出对话框中，选中Circuit/NetNames/ShowAll，在电路图中显示出结点标号或名称。连接完成后完整电路如图A-7（a）所示。V:498mVV(rms):522mlV(dc):500mVT:498UAI(rms):522uAdC:500uAFreq.:1.00kHz1.0knVsToko1V.1.0ulBvere数招ome中1DC(a)(b)图A-7仿真电路和变量测量2.设置元件参数每个仿真元件都有若干属性或参数，可以根据分析或仿真的要求调整。双击图A-7（a）中V1的电压源符号，弹出元件属性对话框。本例中，我们设置电压源有效值1V，直流偏移电压（VoltageOffset）为1V，频率为1kHz，其他参数不变。3.对电路进行虚拟测量Multisim提供电路虚拟测量方式的仿真。Multisim自动建立电路方程，不断进行多次选定的分析计算，将计算结果实时显示在电路中连接的虚拟仪器上，过程中还可以改变电路和调节仪器，这就像对电路进行虚拟实验或测试。在图A-7（a）电路中，连接了虚拟示波器观测输入和输出电压波形，同时放置了一个测量探针在电阻上方结点，设置其中实时测量和电压电流的瞬时值、有效值、直流成分和频率。按下仿真运行按钮后，实时测量结果显示在探针输出和示波器显示界面上。4.对电路进行SPICE分析

5 附录 A1 Multsim 电路仿真和仿真的类型。 A1.1.3 电路分析与仿真步骤用 Multisim 分析和仿真电路的主要步骤包括：建立电路，调整元件参数，连接仪器进行虚拟测量，或设定分析功能和选项后对电路进行分析。以下用一个例子简要说明这个过程。 1．输入电路原理图首先要放置元件。为此，可以利用元件工具栏，在其中点击元件图表来选择，拖放到电路图中。注意，由于仿真软件采用结点法分析，电路中必须要安置和连接一个接地符号。元件放置到电路图中后，用鼠标点击元件端子拉出导线，连接到另一个元件端子完成导线连接，形成电路结点。在电路区中点右键，在菜单中选 Properties 菜单项，在弹出对话框中，选中 Circuit/Net Names/Show All，在电路图中显示出结点标号或名称。连接完成后完整电路如图 A-7（a）所示。（a）（b）图 A-7 仿真电路和变量测量 2．设置元件参数每个仿真元件都有若干属性或参数，可以根据分析或仿真的要求调整。双击图 A-7（a）中 V1 的电压源符号，弹出元件属性对话框。本例中，我们设置电压源有效值 1V，直流偏移电压（Voltage Offset）为 1V，频率为 1kHz，其他参数不变。 3．对电路进行虚拟测量 Multisim 提供电路虚拟测量方式的仿真。Multisim 自动建立电路方程，不断进行多次选定的分析计算，将计算结果实时显示在电路中连接的虚拟仪器上，过程中还可以改变电路和调节仪器，这就像对电路进行虚拟实验或测试。在图 A-7（a）电路中，连接了虚拟示波器观测输入和输出电压波形，同时放置了一个测量探针在电阻上方结点，设置其中实时测量和电压电流的瞬时值、有效值、直流成分和频率。按下仿真运行按钮后，实时测量结果显示在探针输出和示波器显示界面上。 4．对电路进行 SPICE 分析

附录A1Multisim电路仿真6除了虚拟测量仿真，Multisim还可以将指定分析项目的计算完成后的结果变量以数值和曲线的方式给出，例如结点电压、元件电流、响应曲线等，在软件中称为分析（Analysis）。分析是利用Multisim的仿真引擎求解电路方程，得到描述电路特性所需要的一组变量。这些变量可以直接显示在分析图形（GrapherView）窗口中，作为曲线或数值图表：也可以保存起来作为MultisimPostProcessor后处理的原始数据；还可以输出到其他软件（如MicrosoftExcel）中作为进一步计算或图表形成所需的数据。Multisim最基本的电路分析功能为直流工作点分析、交流频率扫描分析和暂态分析：其他更为复杂的分析功能在这些功能上组合、派生出来。本书内容主要涉及下面几种分析功能：DCOperatingPoint直流工作点分析，计算直流激励下的静态电压和电流，是进行其·它各项分析功能的基础。ACAnalysis交流频率扫描分析，分析电路的频率特性。·SingleFrequencyACAnalysis单频率交流分析，给出相量解。··TransientAnalysis暂态分析，又称时域分析或动态分析。DCSweep直流扫描分析，考察电路中一个或两个电源变化时电路直流特性。·：ParameterSweep参数扫描分析，分析某元件的参数变化对电路的影响。·TransferFunction传递函数分析，分析信号源和输出变量间的直流小信号传递函数。用Multisim进行电路分析，需要设置各种分析功能的分析参数选项，选定输出变量及其显示方式。要进行任何一种分析，可以选择菜单命令Simulate/Analyses，在弹出的菜单中选择需要的分析类型。除了简单的直流工作点分析外，分析设置主要包括：Analysisparameters（分析参数），在其中设定该项分析的参数，例如时间范围，频率范围，初始条件等；Output（输出变量），设定需要计算和显示哪些电路变量或表达式。通常情况下，Multisim的分析可以给出结点电压，元件电流和功率变量，可以从这些变量中直接选择作为输出显示。还可以将这些变量进行组合和数学运算得到表达式作为分析结果显示。A1.2直流分析利用Multisim仿真软件的直流工作点分析、直流参数扫描分析和小信号传输函数分析，可以对在直流电源激励下的电路进行各种灵活的分析，求出较为复杂电路的支路电压和电流，扫描电源和其他元件参数变化对电路特性的影响，求电路不同支路或结点上变量的比值（称为传输特性），求端口v-i曲线，求戴维南等效电路参数等。此外，利用虚拟仪器、仪表和探针等，也能直观观察各支路变量。这里给出几个分析示例来说明有关仿真方法的使用。通过这些示例，还可以加深我们对线性电路特性的理解。Multisim的直流工作点分析就是计算电路在直流电源激励下的稳态响应。选择菜单命令Simulate/Analyses/DCOperatingPoint，在分析设置对话框中选定全部可用的变量显示在输出

附录 A1 Multisim 电路仿真 6 除了虚拟测量仿真，Multisim 还可以将指定分析项目的计算完成后的结果变量以数值和曲线的方式给出，例如结点电压、元件电流、响应曲线等，在软件中称为分析（Analysis）。分析是利用 Multisim 的仿真引擎求解电路方程，得到描述电路特性所需要的一组变量。这些变量可以直接显示在分析图形（Grapher View）窗口中，作为曲线或数值图表；也可以保存起来作为 Multisim PostProcessor 后处理的原始数据；还可以输出到其他软件（如 Microsoft Excel）中作为进一步计算或图表形成所需的数据。 Multisim 最基本的电路分析功能为直流工作点分析、交流频率扫描分析和暂态分析；其他更为复杂的分析功能在这些功能上组合、派生出来。本书内容主要涉及下面几种分析功能：  DC Operating Point 直流工作点分析，计算直流激励下的静态电压和电流，是进行其它各项分析功能的基础。  AC Analysis 交流频率扫描分析，分析电路的频率特性。  Single Frequency AC Analysis 单频率交流分析，给出相量解。  Transient Analysis 暂态分析，又称时域分析或动态分析。  DC Sweep 直流扫描分析，考察电路中一个或两个电源变化时电路直流特性。  Parameter Sweep 参数扫描分析，分析某元件的参数变化对电路的影响。  Transfer Function 传递函数分析，分析信号源和输出变量间的直流小信号传递函数。用 Multisim 进行电路分析，需要设置各种分析功能的分析参数选项，选定输出变量及其显示方式。要进行任何一种分析，可以选择菜单命令 Simulate/Analyses，在弹出的菜单中选择需要的分析类型。除了简单的直流工作点分析外，分析设置主要包括：Analysis parameters（分析参数），在其中设定该项分析的参数，例如时间范围，频率范围，初始条件等；Output（输出变量），设定需要计算和显示哪些电路变量或表达式。通常情况下，Multisim 的分析可以给出结点电压、元件电流和功率变量，可以从这些变量中直接选择作为输出显示。还可以将这些变量进行组合和数学运算得到表达式作为分析结果显示。 A1.2 直流分析利用 Multisim 仿真软件的直流工作点分析、直流参数扫描分析和小信号传输函数分析，可以对在直流电源激励下的电路进行各种灵活的分析，求出较为复杂电路的支路电压和电流，扫描电源和其他元件参数变化对电路特性的影响，求电路不同支路或结点上变量的比值（称为传输特性），求端口 v-i 曲线，求戴维南等效电路参数等。此外，利用虚拟仪器、仪表和探针等，也能直观观察各支路变量。这里给出几个分析示例来说明有关仿真方法的使用。通过这些示例，还可以加深我们对线性电路特性的理解。 Multisim 的直流工作点分析就是计算电路在直流电源激励下的稳态响应。选择菜单命令 Simulate/Analyses/DC Operating Point，在分析设置对话框中选定全部可用的变量显示在输出

附录A1Multisim电路仿真8我们还可以改变非零值电压源的电压，再进行多次分析。结果是，只要激励电压源电压一样，位置变化后得到的电流也一样。这个结果并不是巧合，而是一种线性电路性质的体现，这种性质称为互易性。电路具有互易性的条件是电路中只有一个电源，且电路是不含受控源的线性电路。有关详细理论推导请参考双口网络一章讨论。例A-2图A-11电路中，已知电流I=0.2A，求线性电阻R的电阻值。3023030YS20VYS20V.50506A6A:-2.60:-2.60V:5.60VV:5.60 Vnd91:2.80AI:2.80A-9V221：200mA/I（a）原电路（b）用电流源替代电阻R（c）还原电阻R图A-11例A-2电路在电路中，在支路变量有唯一解的情况下，如果某支路电压为V，则可用电压为V的电压源来替代该支路：如果某支路电流为I，则可用电流为I的电流源来替代该支路：替代后不影响电路其他变量。这个结论称为替代定理。这里利用Multisim软件仿真计算电阻R两端的电压，从而得到R，然后用不同元件来替代该支路，验证替代定理的正确性。将已知电流的支路用电流为0.2A的电流源来替换，得到图2-57（b）仿真电路。对其进行直流工作点分析，或者用探针检测得到结点电压V1为-4V，如图A-11（b）所示。根据电压V1，可以得到R=一V1/I=20Q。在仿真电路中用R=20Q电阻替代0.2A电流源，图A-11（c）所示，再进行直流分析，我们可以看到，该支路的电流、电压以及电路中所有支路变量都没有变化。读者甚至还可以设计一个电压源与电阻的串联组合来替代该支路而保持整个电路中其他支路的变量保持不变。例A-3求图A-12（a）含受控源电路的戴维南等效电路10V8Q2X(a)(b)图A-12含受控源电路及其等效电路理论分析可得到其戴维南等效电路如图A-12（b）。用Multisim仿真时，首先建立仿真电路如图A-13（a），其中在端口上连接了一个测试电流源，用外加测试电源直接求端口的v-i关系曲线，从而得到戴维南等效电路。用Multisim的ParameterSweep（参数扫描）或DCSweep（直流电源扫描），让外接电流源变化，测量端口电压得到等效参数。现选择DCSweep，将参数扫描设置为变化I2电流源的电流值，输出变量为结点4电压，I2电流从-2A到2A线性变化，增量为0.2A。启动分析，得到结点电压V4随I2

附录 A1 Multisim 电路仿真 8 我们还可以改变非零值电压源的电压，再进行多次分析。结果是，只要激励电压源电压一样，位置变化后得到的电流也一样。这个结果并不是巧合，而是一种线性电路性质的体现，这种性质称为互易性。电路具有互易性的条件是电路中只有一个电源，且电路是不含受控源的线性电路。有关详细理论推导请参考双口网络一章讨论。例 A-2 图 A-11 电路中，已知电流 I=0.2A，求线性电阻 R 的电阻值。（a）原电路（b）用电流源替代电阻 R （c）还原电阻 R 图 A-11 例 A-2 电路在电路中，在支路变量有唯一解的情况下，如果某支路电压为 V，则可用电压为 V 的电压源来替代该支路；如果某支路电流为 I，则可用电流为 I 的电流源来替代该支路；替代后不影响电路其他变量。这个结论称为替代定理。这里利用 Multisim 软件仿真计算电阻 R 两端的电压，从而得到 R，然后用不同元件来替代该支路，验证替代定理的正确性。将已知电流的支路用电流为 0.2A 的电流源来替换，得到图 2-57（b）仿真电路。对其进行直流工作点分析，或者用探针检测得到结点电压 V1 为-4V，如图 A-11（b）所示。根据电压 V1，可以得到 R = －V1/ I = 20。在仿真电路中用 R= 20 电阻替代 0.2A 电流源，图 A-11（c）所示，再进行直流分析，我们可以看到，该支路的电流、电压以及电路中所有支路变量都没有变化。读者甚至还可以设计一个电压源与电阻的串联组合来替代该支路而保持整个电路中其他支路的变量保持不变。例 A-3 求图 A-12（a）含受控源电路的戴维南等效电路图 A-12 含受控源电路及其等效电路理论分析可得到其戴维南等效电路如图 A-12（b）。用 Multisim 仿真时，首先建立仿真电路如图 A-13（a），其中在端口上连接了一个测试电流源，用外加测试电源直接求端口的 v-i 关系曲线，从而得到戴维南等效电路。用 Multisim 的 Parameter Sweep（参数扫描）或 DC Sweep（直流电源扫描），让外接电流源变化，测量端口电压得到等效参数。现选择 DC Sweep，将参数扫描设置为变化 I2 电流源的电流值，输出变量为结点 4 电压，I2 电流从-2A 到 2A 线性变化，增量为 0.2A。启动分析，得到结点电压 V4 随 I2