基于Multisim仿真的模擬電子電路分析及設(shè)計(jì)(詳細(xì)教程)

上世紀(jì) 90 年代，電子科學(xué)工作者和計(jì)算機(jī)科學(xué)工作者在設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具方 面取得了巨大的成功。以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的 EDA 技術(shù)，將應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)、信息處理技術(shù)的最新成果融合在一起[1]。用戶(hù)使用個(gè)人電腦即可進(jìn)行電子產(chǎn)品 的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。EDA 技術(shù)的廣泛使用在很大程度上解決了電路設(shè)計(jì)的效率問(wèn)題，去 除了多余的工作量，其在大中專(zhuān)院校的理論教學(xué)、科研，科技公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制 造等各方面的應(yīng)用有著重要作用。

1988 年，加拿大 IIT 公司推出了 EWB 套件，這是一款優(yōu)秀的電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)和仿 真的 EDA 套件。IIT 公司隨后推出了更高版本的 EWB 軟件。在 EWB6.0 時(shí)，將套 件名稱(chēng)改為 Multisim,即 Multisim2001。2005 年，IIT 公司被美國(guó) NI(National Instrument) 公司并購(gòu)之后，在 2006 年推出了Multisim9.0，隨后在 2007 年推出了 Multisim10。 Multisim 軟件中許多關(guān)于電路設(shè)計(jì)和仿真分析的操作是在基本界面的電路工作 窗口中進(jìn)行的。因此，了解基本界面上各種操作指令、工具欄、元器件庫(kù)欄及虛擬

儀器的功能和操作方法是學(xué)習(xí) Multisim 的前提。 一、Multisim 的基本元素

且邊框帶有數(shù)字和字母的較大區(qū)域即為電路工作區(qū)，這是我們使用 Multisim 主要區(qū) 域，電路原理圖就是在工作區(qū)搭建，里面含有軟件自帶的電子元器件和各種虛擬儀 器。與 Word 等辦公軟件相似，工具欄和菜單欄位于工作窗口的上方。我們可以從 菜單欄中選擇所需的電路連接或者實(shí)驗(yàn)所需的各種命令。工具欄含有常用的操作命 令按鈕。使用鼠標(biāo)就可以方便地連接各種電子元器件。測(cè)試用的儀器儀表安放在側(cè)邊欄的儀器儀表欄存，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要的儀表就可以很方便地從元器件和儀器庫(kù)中 提取實(shí)驗(yàn)所需的各種元器件及儀器。[2]

Tools、Reports、Options、Window 和 Help。 三、Multisim 的工具欄

Multisim 的系統(tǒng)工具欄包括：新建文件、打開(kāi)文件、打開(kāi)安裝路徑下的自帶實(shí) 例、保存當(dāng)前文件、打印當(dāng)前文件、查找、剪切、復(fù)制、粘貼、撤銷(xiāo)、恢復(fù)。

Multisim 的設(shè)計(jì)工具欄，使用它可打開(kāi)關(guān)閉工程設(shè)計(jì)窗口、打開(kāi)關(guān)閉電路圖數(shù) 據(jù)表、元器件數(shù)據(jù)庫(kù)管理、創(chuàng)建元器件、開(kāi)始停止仿真分析、仿真分析選擇等。

2007 年推出的 Multisim10 的功能已經(jīng)很強(qiáng)大了，基本能夠勝任常用電路的設(shè)計(jì) 和仿真工作：Multisim10 使用起來(lái)更加簡(jiǎn)單、方便，對(duì)多頁(yè)設(shè)計(jì)文件的標(biāo)記和管理 功能都做了進(jìn)一步的提升。M1ultisim10 在模擬電路設(shè)計(jì)和仿真模塊，提升了 Spice 建模功能和 Spice 網(wǎng)表文件的可視化能力，使軟件本身具有更強(qiáng)的分析能力。增強(qiáng) 了的數(shù)據(jù)可視化功能和圖形化操作界面；元器件庫(kù)容量和質(zhì)量的提升；更加便捷的 工程項(xiàng)目管理；更加人性化的 LabVIEW-Mulitisim 用戶(hù)界面。

National InstrumentsDAQ 數(shù)據(jù)采集卡和 Labview 為 Multisim 提供了圖形獲取、 分析工具、數(shù)據(jù)獲得、量度特性等。因此，現(xiàn)實(shí)世界中的模擬信號(hào)或是數(shù)字信號(hào)很 容易經(jīng)過(guò)抽樣納入仿真軟件中進(jìn)行分析。使用該方法使設(shè)計(jì)者能驅(qū)動(dòng)仿真，諸如 VHDL 測(cè)試平臺(tái)，從傳感器獲取數(shù)據(jù)、測(cè)試點(diǎn)甚至數(shù)據(jù)和地址總線(xiàn)。[3]

本文首先介紹了 EDA 軟件對(duì)于當(dāng)代電子科學(xué)教學(xué)以及產(chǎn)品研發(fā)的重要性，并著 重介紹了國(guó)際上流行的 Multisim 軟件。只有掌握好Multisim 軟件的操作指令和常用 工具，才能很好的為我們?cè)陔娮与娐吩O(shè)計(jì)中提供服務(wù)。同時(shí)，我們要將在老師教學(xué) 中所學(xué)的模擬電子電路的知識(shí)與 Multisim 仿真結(jié)合起來(lái)，在實(shí)踐中學(xué)好理論，學(xué)好 理論后更好地指導(dǎo)實(shí)踐。最后，我們要進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)具有某種特定功能的溫 度測(cè)量電路。

本文第 1 章完成對(duì) Multisim 進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，使我們對(duì)軟件有個(gè)大體的了解。 第 2 章主要仿真和分析各種常用的模擬電子電路（基本放大電路的仿真、有源濾波 器的仿真、波形發(fā)生器）和 DSB 調(diào)制解調(diào)電路。第 3 章則在前兩章的基礎(chǔ)上通過(guò)軟 件構(gòu)建傳感器模型，并且結(jié)合基本電路理論而仿真設(shè)計(jì)了溫度測(cè)量器這一綜合系統(tǒng)。

運(yùn)行電路圖，并雙擊兩個(gè)電壓表，如圖 2-4 所示，左邊為輸入電壓的有效值，右邊 衛(wèi)輸出電壓的有效值。

（a）輸入電壓值              （b）輸出電壓值 圖 2-4 輸入電壓和輸出電壓的平均值

2.這個(gè)值與我們計(jì)算的相差較大，究其原因是我們認(rèn)為UT ? 26mV ，并且以我們 計(jì)算的 Ie去計(jì)算 rbe。而實(shí)際上，UT不恒等于 26mV 且Ie的值并不等于我們計(jì)算的 結(jié)果。從這些不確定性來(lái)看，當(dāng)我們使用分離元件的放大電路時(shí)，數(shù)值計(jì)算可以起

到一個(gè)參考作用，但若要得到準(zhǔn)確的數(shù)值還需要通過(guò)仿真軟件來(lái)獲得，這樣更加可 靠。

從圖中可看出，輸出電阻為 4.6K ? ，輸入電阻為 2.3K ? 。這與我們的計(jì)算值比 較相近。

在實(shí)際電路中，單管共射放大電路的放大能力有限，這時(shí)我們可以用兩個(gè)單管 共射放大電路組合成兩級(jí)放大電路來(lái)提高放大倍數(shù)，其衡量指標(biāo)與單管放大電路相 同，輸入阻抗和輸出阻抗的計(jì)算方法與前一節(jié)相同。放大倍數(shù)就是將單個(gè)電路的放 大倍數(shù)相乘。本節(jié)內(nèi)容以?xún)杉?jí)放大電路為例重點(diǎn)探討系統(tǒng)的頻率響應(yīng)這一重要特性。

在實(shí)際應(yīng)用中，加入電子系統(tǒng)的信號(hào)，如語(yǔ)音信號(hào)、電視信號(hào)等都不是只有一 個(gè)頻率的正弦波信號(hào)。相反，大部分信號(hào)都是由多頻率分量合成的復(fù)雜信號(hào)，即具 有一定的頻譜。如音頻信號(hào)的頻率范圍為 20Hz~20KHz,由于放大電路中存在電抗元 件（如管子的極間電容，電路的負(fù)載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容）， 使得放大器可能對(duì)不同頻率信號(hào)分量的放大倍數(shù)和相移不同[4]。

兩個(gè)單級(jí)放大電路間相連的方式成為耦合，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單機(jī)放大電路之間連接的 電路稱(chēng)為耦合電路。耦合電路能夠保證各級(jí)有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，保證耦合電路的 接入不引起信號(hào)的失真，耦合電路上信號(hào)的損失盡可能小。下面分析的兩級(jí)放大電

常用波特儀開(kāi)觀察系統(tǒng)的幅度譜和頻率譜，不過(guò)需要注意的是由于波特儀內(nèi)部沒(méi)有 信號(hào)源，所以在使用時(shí)，必須在電路輸入端示意性地接一個(gè)交流信號(hào)源，但不需要 進(jìn)行任何參數(shù)設(shè)定。如圖 2-7 所示分別為電路的幅度譜和頻率譜。

（a）幅度特性              （b）相位特性 圖 2-7 兩級(jí)放大電路的頻響特性

單級(jí)放大電路、與多級(jí)放大電路都存在一個(gè)問(wèn)題，就是在工作時(shí)存在零點(diǎn)漂移 的現(xiàn)象，當(dāng)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，放大電路的性能就會(huì)受到嚴(yán)重的影響。差分放大 電路在解決這一問(wèn)題上具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此很有必要了解差分放大電路。差分放 大電路如圖 2-8 所示。

位器 Rp ，通過(guò)調(diào)節(jié) Rp 使得輸入信號(hào)Ui=0 時(shí)，雙端輸出電壓Uo =0。Re為兩管公用的 發(fā)射極電阻，它對(duì)差模信號(hào)無(wú)抑制作用，對(duì)于差模信號(hào)的放大不影響，但對(duì)共模信 號(hào)有較強(qiáng)的抑制作用，能夠大大減小零漂對(duì)電路的影響，穩(wěn)定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。

電子電路系統(tǒng)的正常工作離不開(kāi)負(fù)反饋機(jī)制，它是以犧牲放大器的部分放大能 力為代價(jià)，卻改善了放大器的許多性能指標(biāo)，比如穩(wěn)定放大倍數(shù)，改變輸入、輸出 電阻，減小非線(xiàn)性失真和拓寬通頻帶等。正因如此，任何形式的放大電路都具有負(fù) 反饋機(jī)制。

如圖 2-14 所示為帶有負(fù)反饋的兩級(jí)阻容耦合放大電路，在電路中通過(guò) Rf、Cf 把 輸出電壓Uo引回到輸入端，加在晶體管Q1 的發(fā)射極上，在電阻 Rf上形成反饋電壓 uf 。由負(fù)反饋判斷方法可知，此電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。

斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，如圖 2-17 所示為未加入負(fù)反饋放大電路的幅頻特性。標(biāo)尺指示的位 置參數(shù)為 39.156dB/134.416kHz。

通過(guò)仿真，從圖 2-17 和圖 2-18 可以看出波特圖儀的參數(shù)設(shè)置是基本一樣的，但 是兩級(jí)阻容耦合放大電路引入負(fù)反饋后通頻帶得到了擴(kuò)展。

前面所講述的電路各有優(yōu)點(diǎn)，人們將這些電路合理地集成到一個(gè)芯片上，稱(chēng)之 為運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器具有兩高一低的特點(diǎn)：高放大倍數(shù)、高輸入電阻和低輸 出電阻。集成運(yùn)算放大電路最初用于各種模擬信號(hào)的運(yùn)算（如比例、求和、求差、 積分、微分）上，故稱(chēng)為運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放。集成運(yùn)放廣泛用于模擬信號(hào) 的處理和產(chǎn)生電路之中，因其高性能低價(jià)位，在大多數(shù)情況下，已經(jīng)取代了分立元 件放大電路。

利用集成運(yùn)算放大器和電容、電阻等可以構(gòu)成濾波器。濾波器是一種能使有用 頻率信號(hào)通過(guò)，而將其余頻率的信號(hào)抑制或衰減的裝置。其在信號(hào)處理、抑制干擾 等方面發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)的濾波器主要由電阻、電容、電感（R、C、L）等無(wú)源 器件組成的濾波器稱(chēng)為無(wú)源濾波器，而由 R、C等無(wú)源器件再配合集成運(yùn)放這個(gè)有 源器件組成的濾波器稱(chēng)為有源濾波器。有源濾波器與無(wú)源濾波器相比沒(méi)有電感，因 此體積小、重量輕。此外，由于運(yùn)算放大器具有高的電壓放大倍數(shù)和輸入阻抗，低 輸出阻抗，因此有源濾波器能夠提供一定的信號(hào)增益和帶負(fù)載能力，這是無(wú)源濾波 器所不能做到的。通常有源濾波器分為：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、 帶阻濾波器。本文主要研究前三類(lèi)有源濾波器。

由一階 RC 低通濾波器電路再加上一個(gè)電壓跟隨器組成。由于電壓跟隨器的輸 入阻抗很高，輸出阻抗很低，因此，可得出如下關(guān)系

運(yùn)行電路，打開(kāi)示波器，如圖 2-21 所示。紅色曲線(xiàn)為輸入端混合信號(hào)，藍(lán)色曲 線(xiàn)為輸出信號(hào)。從圖 2-21 可見(jiàn)，輸出信號(hào)為頻率 500Hz的信號(hào)，這符合我們的理論 推測(cè)。

高通濾波器用來(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減掉低頻信號(hào)。由此可見(jiàn)，高通濾波器性能 與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)呈鏡像關(guān)系。

從圖中坐標(biāo)可知，當(dāng)頻率大于 195Hz 時(shí)，信號(hào)可以無(wú)失真的通過(guò)。 為了驗(yàn)證高通濾波器的特性，我們?cè)谳斎攵送瑯蛹尤敕宸逯稻鶠?V，頻率分別

為 50Hz 和 10KHz 的正弦波信號(hào)，按照理論推測(cè)，在高通濾波器的輸出端我們應(yīng)該 得到的輸出信號(hào)是頻率為 10KHz 的信號(hào)。探針結(jié)果如圖 2-26 所示。與理論推斷結(jié) 果相同。

二階有源帶通濾波器允許在某一個(gè)通帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而通頻帶以外頻率 的信號(hào)均加以衰減。帶通濾波器是由低通 RC 環(huán)節(jié)和高通RC 環(huán)節(jié)組合二成的。要 將高通的下限頻率設(shè)置的小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。要想獲 得好的頻率特性，一般需要較高的階數(shù)。如圖 2-27 所示為二階有源帶通濾波器電路。

500KHz 的正弦波信號(hào)。由理論分析，輸出端應(yīng)該得到 4KHz 的信號(hào)。探針結(jié)果如 圖 2-29 所示。從圖 2-29 可知，與我們理論分析結(jié)果相同。

在某些場(chǎng)合下，我們需要電路具有對(duì)信號(hào)的進(jìn)行鑒幅與比較，電壓比較器正是 具有此功能電路，利用它可以產(chǎn)生各種非正弦波信號(hào)，在測(cè)量和控制中有著相當(dāng)廣

用示波器觀察輸入、輸出波形如圖所示藍(lán)色曲線(xiàn)為輸入電壓，紅色曲線(xiàn)為輸出 電壓。過(guò)零比較器的傳輸特性如圖 2-31 所示。

雖然過(guò)零比較器很靈敏，但是抗干擾能力低,如果輸入電壓在閾值電壓附近且突 然變化或者有外部的干擾，那么輸入電壓就在閾值電壓附近搖擺，使得輸出電壓也 跟著變化，這顯然是我們不太樂(lè)見(jiàn)得。滯回比較器具有滯回特性特性，即具有慣性，

過(guò)零比較器的傳輸特性如圖 2-33 所示。示波器面板，在 Timebase 區(qū)，選擇。 選擇將 A通道信號(hào)作為 X軸掃描信號(hào)，B通道施加于 Y軸上。觀察李薩育圖形。

正弦波振蕩電路是在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生正 弦波輸出電壓的電路。它廣泛地應(yīng)用于測(cè)量、遙控、通訊、自動(dòng)控制中。

為使正弦波振蕩電路能夠穩(wěn)定工作必須有兩個(gè)條件：一是要有正反饋網(wǎng)絡(luò)；二 要有外加的選頻網(wǎng)絡(luò)，可以確定振蕩頻率。振蕩平衡的條件 A? F? ? 1，電路的起振條

方波發(fā)生電路是其他非正弦波信號(hào)發(fā)生電路的基礎(chǔ)。若方波電壓加在積分運(yùn)算 電路的輸入端，則輸出就獲得了三角波；若改變積分電路正向積分和反向積分時(shí)間 常數(shù)，使某一方向的積分常數(shù)趨于零，則可獲得鋸齒波。

方波電壓只有高電平或是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分。因?yàn)?電路中引入反饋產(chǎn)生振蕩。因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，電路中要 有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。方波發(fā)生電路如圖 2-36 所示

欲改變輸出電壓的占空比，就必須使電容正向和反向充電的時(shí)間常數(shù)不同，即 兩個(gè)充電回路的參數(shù)不同。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢砸龑?dǎo)電流流經(jīng)不同的通路， 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路如圖 2-38 所示。

如果積分電路正向積分的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于反向積分的時(shí)間常數(shù)，那么輸出電壓 上升和下降的斜率相差很多，就可以獲得鋸齒波。利用二極管的單向?qū)щ娦允狗e分

調(diào)整 R2 和 R4 的阻值可以改變鋸齒波的幅值；調(diào)整 R2 、R4 和 R3 的阻值以及 C 的

容量，可以改變振蕩周期；調(diào)整電位器滑動(dòng)端的位置，可以改變鋸齒波上升和下降 的斜率。產(chǎn)生的鋸齒波如圖 2-43 所示。

圖 2-43 產(chǎn)生的鋸齒波

2.5              DSB 調(diào)制與解調(diào)分析

調(diào)制就是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)牡男问降囊环N過(guò)程。廣義的調(diào)制分 為基帶調(diào)制和載波調(diào)制，在無(wú)線(xiàn)通信中，調(diào)制常指載波調(diào)制。

載波調(diào)制的原理是，用調(diào)制信號(hào)去改變載波（通常為高頻信號(hào)）的參數(shù)，使載 波的幾個(gè)參數(shù)能夠體現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的規(guī)律。

中遇到的諸多問(wèn)題。例如，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，信號(hào)是以電磁波的形式通過(guò)天線(xiàn)在空 間中傳播。只有信號(hào)的波長(zhǎng)與天線(xiàn)的長(zhǎng)度相比擬時(shí)才能夠獲得較高的輻射效率。通 常情況下，天線(xiàn)長(zhǎng)度要大于1/ 4 波長(zhǎng)。如果將 3000Hz 的基帶信號(hào)直接耦合到天線(xiàn)發(fā) 射，那么將需要尺寸約為25km 的天線(xiàn)。這是極不現(xiàn)實(shí)的情況。如果通過(guò)調(diào)制，把 基帶信號(hào)的頻譜搬至較高的載波頻率上，使已調(diào)信號(hào)的頻譜與信道的帶通特性相匹配，這樣就可以提高傳輸性能，以較小的功率與較短的天線(xiàn)來(lái)發(fā)射電磁波。其次， 為了實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，即把不同的基帶信號(hào)用不同的載波進(jìn)行調(diào)制，使它們的頻譜搬 移至不同的高頻段，這樣就可以同時(shí)傳輸且不干擾。再次，擴(kuò)展信號(hào)的帶寬，提高 系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。

最常用和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。 常見(jiàn)的調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾個(gè)典型事例。

單邊帶調(diào)制和殘留邊帶調(diào)制的發(fā)射設(shè)備比調(diào)幅調(diào)制和雙邊帶調(diào)制復(fù)雜。而調(diào)幅 調(diào)制雖然接收設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是功率利用率低，抗干擾能力差。DSB 調(diào)制適合點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)的專(zhuān)用通道。為了服務(wù)于我們?cè)诘?3 章中設(shè)計(jì)的綜合電路，在這里我們采用 DSB 調(diào)制和解調(diào)。

假設(shè)調(diào)制信號(hào) m(t) 的平均值為零。與載波信號(hào) c(t) 相乘得到雙邊帶信號(hào)。其實(shí) 與表達(dá)式為：

與調(diào)幅信號(hào)相比，DSB 信號(hào)的調(diào)制效率是 100%，即全部功率都用于信息傳輸。 上述分析可見(jiàn)，若要實(shí)現(xiàn) DSB 調(diào)制我們需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：一、產(chǎn)生高頻載波

信號(hào)；二、實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相乘；三、將已調(diào)信號(hào)進(jìn)行功率放大通過(guò)天線(xiàn) 發(fā)射出去。下面我們就將圍繞 DSB 調(diào)制的硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)分析。

我們介紹了 RC橋式振蕩電路。但是 RC橋式振蕩電路不易起振且振蕩頻率較低， 這些不足限制了 RC 橋式振蕩電路在高頻電子線(xiàn)路的應(yīng)用。實(shí)際中的振蕩器多采用 石英晶體振蕩器和 LC振蕩。因西勒振蕩器具有頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，頻率調(diào) 節(jié)方便的特點(diǎn)，故本文采用LC振蕩電路中的西勒振蕩器。

高頻功率放大器一般采用諧振回路做負(fù)載，解決了大功率放大時(shí)的效率、失真、 阻抗變換等問(wèn)題。電路中的功率管采用高頻管，其特點(diǎn)是放大倍數(shù)小，特征頻率高， 工作時(shí)處于截止、放大、至飽和區(qū)，具有明顯的非線(xiàn)性特性�？梢詫�(duì)窄帶信號(hào)實(shí)現(xiàn) 不失真放大，同時(shí)又可以使電壓增益隨輸入信號(hào)大小變化，實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性放大。

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第 3 章              溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

我們已經(jīng)在前面的兩章內(nèi)容打下了必要的知識(shí)，使得我們能夠繼續(xù)結(jié)合所學(xué)知 識(shí)發(fā)揮大腦的創(chuàng)造力，自己設(shè)計(jì)一個(gè)具有一定功能的綜合性電路。在第 1 章里，我 們介紹 Multisim 軟件的操作指令和工具欄儀器。第 2 章，我們先是從分立元件放大 器的仿真開(kāi)始，驗(yàn)證了所學(xué)知識(shí)的正確性和可靠性，特別重要的是從分立元件開(kāi)始 我們進(jìn)入了集成運(yùn)算放大器所構(gòu)成的功能強(qiáng)大、可靠性更高的集成電路，包括有源濾波電路的設(shè)計(jì)，電壓比較器的設(shè)計(jì)，以及利用電壓比較器我們開(kāi)始設(shè)計(jì)各種波形 發(fā)生電路。本章內(nèi)容，我們將設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量電路，如果溫度高于我們?cè)O(shè) 定的預(yù)期值將會(huì)啟動(dòng)散熱器。同時(shí)我們也有必要給這個(gè)簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量電路加上 DSB 調(diào)制解調(diào)功能，使其具有遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)的能力。

3.1              溫度測(cè)量器系統(tǒng)框圖

我們將繼續(xù)在 Multisim 的工作臺(tái)上搭建電路。圖 3-1 為溫度測(cè)量電路的系統(tǒng)方 框圖。首先我們都知道要將一個(gè)物理量轉(zhuǎn)化為一個(gè)電信號(hào)需要傳感器，這里我們采 用熱敏電阻。結(jié)合電橋電路就可以將溫度轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)線(xiàn)性放大， 將放大的電壓信號(hào)傳到用Labview 制作的 VI 上，在 VI 上顯示結(jié)果，也可以通過(guò) DSB 調(diào)制將信號(hào)發(fā)射出去。

圖 3-1 溫度測(cè)量器系統(tǒng)框圖

3.2              溫度測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)

3.2.1              熱敏電阻模型的建立

熱敏電阻有正溫度系數(shù)（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)（NTC）兩種類(lèi)型，其電阻值隨 著環(huán)境溫度的變化而變化。利用這一特性，可將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)變?yōu)闊崦綦娮枳柚档淖?/font>

R? R(1 ? At? Bt2 )

（3-1）

其中 R0 =100（t? 0℃）

A? 3.94 ?10?3 / ℃

B? ?5.84 ?10-7 / ℃

由于系數(shù) B相較于系數(shù) A很小，對(duì)于溫度影響不大，可以略去。

在 Multisim 中是沒(méi)有熱敏電阻仿真模型的，需要我們通過(guò)設(shè)置電阻參數(shù)來(lái)進(jìn)行 模擬設(shè)置。將任意一個(gè)電阻放置于工作區(qū)，雙擊，打開(kāi)其參數(shù)設(shè)置面板。結(jié)合 Pt100 的特性，將電阻按照?qǐng)D 3-2 進(jìn)行設(shè)定。

圖 3-2 電阻參數(shù)設(shè)置

Temperature 為工作溫度，默認(rèn)為 27℃。TNOM 是額定溫度工作點(diǎn)，設(shè)定為 0。

TC1 是一次線(xiàn)性系數(shù)，設(shè)定為 0.00394。這樣我們就在 Multisim 中建立 Pt100 熱敏 電阻模型。環(huán)境溫度 t與電阻變化 ?R的關(guān)系為：

3.2.2              電橋電路原理

如今，我們已經(jīng)成功的在 Multisim 中創(chuàng)建了 Pt100 型正溫度系數(shù)的熱敏電阻，

并找到了當(dāng)前環(huán)境溫度與電阻值的關(guān)系，這是非常重要的一步，但是這樣還不夠，

因?yàn)殡娐诽幚韺?duì)的是電信號(hào)，我們還要想辦法將電阻值的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。惠 斯通電橋電路即可完成此任務(wù)。圖 3-3 為直流電橋原理圖。

圖 3-3 直流電橋電路

惠斯通電橋常用于測(cè)量測(cè)量電阻。電阻 R1、R2、R3、R4叫做電橋的四個(gè)臂，RL 的作用是檢測(cè)所在支路有無(wú)電流。當(dāng) RL沒(méi)有電流時(shí)，電橋達(dá)到平衡，此時(shí)四個(gè)臂滿(mǎn) 足如下關(guān)系式：

3.2.3              儀表放大電路

儀表放大電路是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的放大電路。通常情 況下，儀表放大器的兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻值很高，且輸出電阻很低。可是專(zhuān) 用的儀表放大器通常比較昂貴，于是利用三個(gè)普通的集成運(yùn)算放大器組成儀表放大

器成了一種多數(shù)人的選擇。

圖 3-6 帶輸入緩沖的減法器電路

我們將以上前置的兩個(gè)運(yùn)放作為電壓跟隨器使用現(xiàn)在改為同相放大器，如圖 3-7

所示。

圖 3-7 帶增益緩沖放大器的緩沖減法器電路

上圖所示電路加入運(yùn)放 U2和 U3后，它對(duì)差分信號(hào)和共模信號(hào)有相同的增益， 及未改變?cè)�電路共模抑制比并沒(méi)有增加。

而圖 3-4，標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器電路是對(duì)帶緩沖減法器電路的改進(jìn)。增益電阻 器 RG連接在兩個(gè)輸入緩沖器的求和點(diǎn)之間，這樣圖 3-7 中的 R6和 R7就被取代了。 由電壓跟隨器的特性（輸入電壓=輸出電壓），RG 兩端的電壓就等于整個(gè)差分輸入電 壓。因?yàn)檩斎腚妷航?jīng)過(guò)放大后（在 U2和 U3的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在 R5，RG 和 R6這三只電阻上，所以可以?xún)H改變 RG來(lái)進(jìn)行差分增益的調(diào)整。

圖 3-4 標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器電路還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)減法器電路的增益用比 率 匹 配 的 電 阻器 設(shè) 定 后 ， 在 改 變 增 益 時(shí) 不再 對(duì) 電阻 匹 配 有 任 何 要 求 。如 果

因?yàn)?RG的電壓等于 VIN，因此 RG上的電流等于 VIN/RG，輸入信號(hào)通過(guò) U2和

U3得到了放大。注意，由于放大器輸入端的共模電壓在 RG兩端具有相同的電位， 從而不會(huì)在 RG上產(chǎn)生電流。由于沒(méi)有電流流過(guò) RG（也就無(wú)電流流過(guò) R5和 R6），放 大器 U2和 U3將作為電壓跟隨器而工作。因此，共模信號(hào)以 1 倍增益通過(guò)輸入緩沖 器，而差分電壓將按（1 ?2R5 / RG）的增益系數(shù)被放大。

理論上，用戶(hù)可以得到所要求的增益，而不增加共模增益和誤差。所以比率〔增

益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）〕將增大。因此 CMRR 理論上直接與增益成 比例增加，這是一個(gè)非常有用的特性。最后，由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，輸入放大器的 共模誤差，將被輸出級(jí)的減法器消除。

3.2.4    電壓跟隨器

電壓跟隨器的應(yīng)用已在儀表放大電路中有所了解。這里再次強(qiáng)調(diào)其特點(diǎn)和適用 場(chǎng)合。如圖 3-8 所示為電壓跟隨器電路。

圖 3-8 電壓跟隨器

電壓跟隨器的特點(diǎn)是：輸入阻抗極高，輸出阻抗極低，一般來(lái)說(shuō)輸入阻抗可以 達(dá)到幾兆歐，而輸出電阻可以低到幾歐姆。電壓跟隨器往往起到輸出緩沖級(jí)的作用。 如果后級(jí)的輸入阻抗相較于前級(jí)的輸出電阻不是很高，則根據(jù)分壓原理，有相當(dāng)部 分信號(hào)消耗在前級(jí)阻抗中。這時(shí)候哦就可以在中間只有電壓跟隨器，一方面提高輸 入阻抗，一方面降低輸出阻抗。

3.2.5    比例運(yùn)算放大電路

同相比例運(yùn)算電路如圖 3-9 所示。電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故可以認(rèn)為輸

入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零。輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為：

圖 3-9 同相比例運(yùn)算放大電路

3.2.6              顯示模塊

為了將溫度的數(shù)值顯示出來(lái)，我們將借助 Labview 軟件做出一個(gè)針對(duì)本文使用 的虛擬儀器，并將這個(gè)虛擬儀器嵌入到 Multisim 中。需要注意的是版本的兼容問(wèn)題， 一般選擇 Multisim10.0 與 Labview8.2。

具體的創(chuàng)建步驟如下：

步驟 1：復(fù)制并重命名模板項(xiàng)目

1.打開(kāi) Multisim 軟件，在標(biāo)準(zhǔn)工具欄中選擇“open a     sample design”,即單擊 藍(lán) 色 圖 標(biāo)  。 將 Labview Instruments\Templates\Input 文件 夾 復(fù) 制 到 Labview Instruments 文件夾下。

2.將..\Input 文件夾重新命名為 ..\wendu。

3.將..\wendu\StarterInputInstrument.lvproj 件重新命名為 wendu.lvproj。

4.啟動(dòng) LabVIEW 后，打開(kāi)..\wendu\wendu.lvproj 項(xiàng)目文件。

5.在 Starter Input Instrument.vit 上點(diǎn)擊右鍵，并選擇 Save As（另存為）。在彈出 的對(duì)話(huà)框中，將模板重新命名為 wendu Instrument.vit。

6.重復(fù)相同的過(guò)程將 Starter Input Instrument_multisimInformation.vi 重新命名為 wendu_multisimInformation.vi (注意：不管為子 VI 選擇什么樣的名稱(chēng)，都必須保持 “_multisimInformation.vi”的擴(kuò)展名，使得 Multisim 能夠加載儀器)。

7.保存項(xiàng)目，如圖 3-10 所示

wendu.vit 中 VI 的前面板是 Multisim 用戶(hù)看到并進(jìn)行操作的儀器界面，在程序框圖 中可以為儀器添加圖形化代碼，實(shí)現(xiàn)特定功能。我們力求使這個(gè)虛擬儀器的對(duì)話(huà)框 與我們的功能相近，比如要有溫度計(jì)，數(shù)值顯示的溫度，顯示時(shí)間的控件，否開(kāi)啟 制冷模塊的指示燈。具體步驟如下：

1.在項(xiàng)目管理器目錄下，打開(kāi) wendu.vit，wendu.vit 的前面板如圖 3-12 所示.

圖 3-12  前面板

2.為了放置我們需要的控件，需要將其對(duì)話(huà)框的界面放大，并將 sampling rate 控件

interpolation method 等控件，我們不能夠刪除修改同時(shí)也不需要顯示他們放到對(duì)話(huà)

框底部。如圖 3-13 所示

圖 3-13 簡(jiǎn)單處理的前面板

3.在前面板中添加控件，單擊右鍵，選擇數(shù)值選板中的數(shù)值顯示控件和溫度計(jì)和時(shí) 間顯示控件；選擇布爾選板中的圓形指示燈。并將它們合理安排，最終我們還要將 對(duì)話(huà)框縮小到只能看到這些控件為宜。如圖 3-14 所示。

圖 3-14 最終處理好的前面板

4.打開(kāi)前面板的程序框圖（Ctrl+E）。在 while loop 的“Updata data”case 結(jié)構(gòu)中添加 圖形化代碼。由于我們的控件相對(duì)于 case 默認(rèn)的控件較大，所以先擴(kuò)大 case 結(jié)構(gòu)的

空間。從數(shù)組選版中選取“數(shù)組索引”的控件與 case 相連，后在波形選版中選取“從

波形中獲取數(shù)值”，然后進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的數(shù)值運(yùn)算即可（具體的數(shù)值運(yùn)算在給出完整電 路圖后我們來(lái)分析）。如圖 3-15 所示為完成后的程序框圖。

1.在項(xiàng)目管理器中展開(kāi)程序生成規(guī)范，并在 Source Distribution 上雙擊將其打開(kāi)。選 擇"發(fā)布設(shè)置”將目標(biāo)路徑改為 ...\wendu\Build\wendu.llb。點(diǎn)擊生成按鈕。

2.在構(gòu)建過(guò)程完成后，點(diǎn)擊確定。

3.保存項(xiàng)目 (File > Save Project)，并關(guān)閉 Labview。 步驟 5：將儀器導(dǎo)入 Multisim10

轉(zhuǎn)到項(xiàng)目的 Build 文件夾"...\wendu\Build\" ，并將新型的儀器"wendu.llb" 復(fù)制到 Multisim10 安 裝 目 錄 ... \lvinstruments\ 文 件 夾 中 。 然 后 啟 動(dòng)Multisim10 。 單 擊 simulate|instruments|labview|wendu 拖到工作區(qū) 雙擊如圖 3-16 所示。

圖 3-16  在 Multisim 中打開(kāi)自己制作的虛擬儀器

3.2.7    制冷電路

為了更加豐富電路的功能，我們可以加入發(fā)動(dòng)機(jī)作為降溫的工具，當(dāng)溫度大于

我們所設(shè)定的溫度后，電路就自動(dòng)開(kāi)啟制冷的功能，那么如何設(shè)計(jì)這種具有判斷功

能的電路呢？

我們想到了第 2 章中的電壓比較器中的過(guò)零比較器，不過(guò)這個(gè)參考電壓不再是 接地端，而是由 50V 直流電源與滑動(dòng)電阻器組成的簡(jiǎn)單分壓電路，設(shè)定電壓值與溫 度關(guān)系在圖 3-17 中已經(jīng)標(biāo)出。制冷電路如圖 3-17 所示。

圖 3-17 制冷電路

U6 同相輸入端接入 17V 的電壓值此電壓值即為 36℃時(shí)儀表放大電路的輸出電 壓值，將儀表放大電路的輸出端接入到 U6 的反向輸出端，當(dāng)溫度高于 36℃時(shí)，反 相輸入端的電壓高于 17V,U6 輸出為 -Uom,三極管 Q1 的基極接地，此時(shí)三極管導(dǎo)通， 繼電器 K1 閉合，指示燈和發(fā)動(dòng)機(jī)工作。當(dāng)溫度低于 36℃時(shí)，反相輸入端的電壓低 于 17V，U6 輸出為 ? Uom，三極管截止，繼電器打開(kāi)，則指示燈和發(fā)動(dòng)機(jī)都不工作。

3.2.8              數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)射和接收模塊

為了實(shí)現(xiàn)溫度值的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸，我們采用本文第 2 章 DSB 調(diào)制與解調(diào)。雖然 Multisim 有強(qiáng)大的電路仿真功能，但是卻不能仿真空間電磁場(chǎng)，不得不說(shuō)是個(gè)遺憾。 我們知道信息以無(wú)線(xiàn)電波的形式傳播出去，必然會(huì)有噪聲摻雜其中，比如熱噪聲和 散粒噪聲，這些噪聲它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的， 統(tǒng)稱(chēng)為高斯白噪聲。于是為了與真實(shí)空間盡量相似，我們?cè)?DSB 調(diào)制電路和解調(diào)電路之間加入熱噪聲源來(lái)代替信號(hào)在空間中傳輸所摻雜的噪聲。Multisim 的熱噪聲源

如圖 3-18 所示。

圖 3-18 熱噪聲源

從 Multisim 的幫助中，我們知道熱噪聲源使用了高斯白噪聲來(lái)仿真熱噪聲。當(dāng) 溫度在絕對(duì)零度以上，由于電荷載流子的熱運(yùn)動(dòng)，所有電阻都有熱噪聲。熱噪聲的

計(jì)算公式如下：

其中 k 為波爾茲曼常數(shù)（1.38*e^-23J/K），T 為電阻的溫度，B 是帶寬，R 是電

阻阻值。前面所述 LC 正弦波正當(dāng)電路產(chǎn)生的載波頻率為 5.06MHZ,峰峰值為 13.5V。 我們?cè)O(shè)定熱噪聲電壓值為 100mV 級(jí)別的量。由（3-16 式），設(shè)熱噪聲源帶寬為 100MHz, 溫度為 30℃，電阻為 100K ? ，噪聲系數(shù)為 100。如圖 3-19 所示。

圖 3-19 設(shè)置熱噪聲源參數(shù)

DSB 解調(diào)電路中的低通濾波器采用二階有源低通濾波器，其截至頻率 fP約為

5.10MHz。而 fP ? 0.37 fo，設(shè)電阻 R 為 10K ? ，電容值為 1.1546pF。如圖 3-20 所示

為設(shè)置好的二階低通濾波器。

圖 3-20 截止頻率為 5.10MHz 的二階低通濾波器

用波特儀分析電路，如圖 3-21 所示。

圖 3-21              用波特儀分析的幅度特性

如圖 3-22 所示，為完整的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)射和接收模塊，包括 DSB 調(diào)制部分，熱 噪聲源代替的信道噪聲和 DSB 解調(diào)部分。

圖 3-22              數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)射模塊

用四通道示波器分別查看 LC振蕩電路波形（紅色曲線(xiàn)），加有熱噪聲源的 DSB

已調(diào)信號(hào)（綠色曲線(xiàn)）和解調(diào)后的信號(hào)（藍(lán)色曲線(xiàn)），如圖 3-23 所示。

圖 3-23              用示波器觀察的信號(hào)波形

3.3              總電路圖

將 3.2 節(jié)的所述內(nèi)容綜合起來(lái)，再經(jīng)調(diào)試，如圖 3-24 所示為溫度測(cè)量電路。利 用熱敏電路對(duì)溫度的反應(yīng)，經(jīng)過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓值，后經(jīng)儀表放大電路、電壓 跟隨器、同鄉(xiāng)比例運(yùn)算放大電路經(jīng)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，將溫度值顯示在虛擬儀器 Labview 上。加入了能夠調(diào)節(jié)閾值溫度的制冷模塊，一旦溫度超過(guò)閾值電壓則啟動(dòng) 發(fā)動(dòng)機(jī)制冷。利用 DSB 調(diào)制解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，使用者無(wú)須守在儀器

旁便可知道溫度值。

圖 3-24 總電路圖

3.4              本章小結(jié)

本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)所學(xué)電路基本知識(shí)進(jìn)行綜合深入的研究，利用 Multisim 對(duì)應(yīng)變測(cè) 量電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，電路的輸出電壓經(jīng) Labview 虛擬儀器仿真后，可直接顯示溫 度測(cè)量值。利用 Multisim 高效的仿真分析功能對(duì)該測(cè)量電路進(jìn)行仿真分析，大大提 高了設(shè)計(jì)效率，節(jié)省了不必要的花費(fèi)時(shí)間，使設(shè)計(jì)更加形象化。

EDA 軟件，Multisim 因?yàn)槠洳僮骱?jiǎn)單、功能強(qiáng)大、應(yīng)用方便從而得到了廣泛應(yīng)用。 本文首先通過(guò)對(duì) Multism 的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹并通過(guò)實(shí)例演示，使我們利用

Multisim 進(jìn)行模擬電路仿真分析的方法更加熟練，同時(shí)也對(duì)理論知識(shí)的研究更加深 入�；�于以上因素，在文章的第 3 章，完成了溫度測(cè)量器的研究設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由傳 感器模塊、放大器模塊、顯示模塊以及發(fā)射模塊組成。其中的顯示模塊是通基于 Labview 的圖形化程序語(yǔ)言單獨(dú)設(shè)計(jì)的，Labview 的這種功能使得我們可以人為根 據(jù)不同功能需要完成虛擬儀器的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是模型的建立，因?yàn)?Multisim中并沒(méi)有設(shè)計(jì)所需要的傳感器，論文通過(guò)分析壓力傳感器的工作原理，通 過(guò)熱敏電阻與電橋電路的結(jié)合構(gòu)建了傳感器的模型。這種通過(guò)原理分析從而構(gòu)造傳 感器模型的方法使得 Multisim 的仿真功能大大增強(qiáng)，是其功能的深入應(yīng)用。另外， 放大模塊中的測(cè)量放大器具有抑制溫漂的作用，能夠提高測(cè)量精度，在眾多儀器儀 表中作為前置放大，它的引入使儀器的測(cè)量精度大大提高。另外該種測(cè)量方法也可 以引申到對(duì)壓力、氣壓、海拔等方面的測(cè)量，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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2018-10-20 03:56 上傳

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