基于Multisim仿真的模拟电子电路分析及设计(详细教程)

上世纪 90 年代，电子科学工作者和计算机科学工作者在设计方法和设计工具方 面取得了巨大的成功。以计算机为平台的 EDA 技术，将应用电子技术、计算机技 术、信息处理技术的最新成果融合在一起[1]。用户使用个人电脑即可进行电子产品 的自动化设计。EDA 技术的广泛使用在很大程度上解决了电路设计的效率问题，去 除了多余的工作量，其在大中专院校的理论教学、科研，科技公司的产品设计与制 造等各方面的应用有着重要作用。

1988 年，加拿大 IIT 公司推出了 EWB 套件，这是一款优秀的电子线路设计和仿 真的 EDA 套件。IIT 公司随后推出了更高版本的 EWB 软件。在 EWB6.0 时，将套 件名称改为 Multisim,即 Multisim2001。2005 年，IIT 公司被美国 NI(National Instrument) 公司并购之后，在 2006 年推出了Multisim9.0，随后在 2007 年推出了 Multisim10。 Multisim 软件中许多关于电路设计和仿真分析的操作是在基本界面的电路工作 窗口中进行的。因此，了解基本界面上各种操作指令、工具栏、元器件库栏及虚拟

仪器的功能和操作方法是学习 Multisim 的前提。 一、Multisim 的基本元素

且边框带有数字和字母的较大区域即为电路工作区，这是我们使用 Multisim 主要区 域，电路原理图就是在工作区搭建，里面含有软件自带的电子元器件和各种虚拟仪 器。与 Word 等办公软件相似，工具栏和菜单栏位于工作窗口的上方。我们可以从 菜单栏中选择所需的电路连接或者实验所需的各种命令。工具栏含有常用的操作命 令按钮。使用鼠标就可以方便地连接各种电子元器件。测试用的仪器仪表安放在侧边栏的仪器仪表栏存，用鼠标点击需要的仪表就可以很方便地从元器件和仪器库中 提取实验所需的各种元器件及仪器。[2]

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

Multisim 的系统工具栏包括：新建文件、打开文件、打开安装路径下的自带实 例、保存当前文件、打印当前文件、查找、剪切、复制、粘贴、撤销、恢复。

Multisim 的设计工具栏，使用它可打开关闭工程设计窗口、打开关闭电路图数 据表、元器件数据库管理、创建元器件、开始停止仿真分析、仿真分析选择等。

2007 年推出的 Multisim10 的功能已经很强大了，基本能够胜任常用电路的设计 和仿真工作：Multisim10 使用起来更加简单、方便，对多页设计文件的标记和管理 功能都做了进一步的提升。M1ultisim10 在模拟电路设计和仿真模块，提升了 Spice 建模功能和 Spice 网表文件的可视化能力，使软件本身具有更强的分析能力。增强 了的数据可视化功能和图形化操作界面；元器件库容量和质量的提升；更加便捷的 工程项目管理；更加人性化的 LabVIEW-Mulitisim 用户界面。

National InstrumentsDAQ 数据采集卡和 Labview 为 Multisim 提供了图形获取、 分析工具、数据获得、量度特性等。因此，现实世界中的模拟信号或是数字信号很 容易经过抽样纳入仿真软件中进行分析。使用该方法使设计者能驱动仿真，诸如 VHDL 测试平台，从传感器获取数据、测试点甚至数据和地址总线。[3]

本文首先介绍了 EDA 软件对于当代电子科学教学以及产品研发的重要性，并着 重介绍了国际上流行的 Multisim 软件。只有掌握好Multisim 软件的操作指令和常用 工具，才能很好的为我们在电子电路设计中提供服务。同时，我们要将在老师教学 中所学的模拟电子电路的知识与 Multisim 仿真结合起来，在实践中学好理论，学好 理论后更好地指导实践。最后，我们要进行综合设计，实现具有某种特定功能的温 度测量电路。

本文第 1 章完成对 Multisim 进行简单的介绍，使我们对软件有个大体的了解。 第 2 章主要仿真和分析各种常用的模拟电子电路（基本放大电路的仿真、有源滤波 器的仿真、波形发生器）和 DSB 调制解调电路。第 3 章则在前两章的基础上通过软 件构建传感器模型，并且结合基本电路理论而仿真设计了温度测量器这一综合系统。

运行电路图，并双击两个电压表，如图 2-4 所示，左边为输入电压的有效值，右边 卫输出电压的有效值。

（a）输入电压值              （b）输出电压值 图 2-4 输入电压和输出电压的平均值

2.这个值与我们计算的相差较大，究其原因是我们认为UT ? 26mV ，并且以我们 计算的 Ie去计算 rbe。而实际上，UT不恒等于 26mV 且Ie的值并不等于我们计算的 结果。从这些不确定性来看，当我们使用分离元件的放大电路时，数值计算可以起

到一个参考作用，但若要得到准确的数值还需要通过仿真软件来获得，这样更加可 靠。

从图中可看出，输出电阻为 4.6K ? ，输入电阻为 2.3K ? 。这与我们的计算值比 较相近。

在实际电路中，单管共射放大电路的放大能力有限，这时我们可以用两个单管 共射放大电路组合成两级放大电路来提高放大倍数，其衡量指标与单管放大电路相 同，输入阻抗和输出阻抗的计算方法与前一节相同。放大倍数就是将单个电路的放 大倍数相乘。本节内容以两级放大电路为例重点探讨系统的频率响应这一重要特性。

在实际应用中，加入电子系统的信号，如语音信号、电视信号等都不是只有一 个频率的正弦波信号。相反，大部分信号都是由多频率分量合成的复杂信号，即具 有一定的频谱。如音频信号的频率范围为 20Hz~20KHz,由于放大电路中存在电抗元 件（如管子的极间电容，电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容）， 使得放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同[4]。

两个单级放大电路间相连的方式成为耦合，实现两个单机放大电路之间连接的 电路称为耦合电路。耦合电路能够保证各级有合适的静态工作点，保证耦合电路的 接入不引起信号的失真，耦合电路上信号的损失尽可能小。下面分析的两级放大电

常用波特仪开观察系统的幅度谱和频率谱，不过需要注意的是由于波特仪内部没有 信号源，所以在使用时，必须在电路输入端示意性地接一个交流信号源，但不需要 进行任何参数设定。如图 2-7 所示分别为电路的幅度谱和频率谱。

（a）幅度特性              （b）相位特性 图 2-7 两级放大电路的频响特性

单级放大电路、与多级放大电路都存在一个问题，就是在工作时存在零点漂移 的现象，当零点漂移现象严重时，放大电路的性能就会受到严重的影响。差分放大 电路在解决这一问题上具有很大的优势，因此很有必要了解差分放大电路。差分放 大电路如图 2-8 所示。

位器 Rp ，通过调节 Rp 使得输入信号Ui=0 时，双端输出电压Uo =0。Re为两管公用的 发射极电阻，它对差模信号无抑制作用，对于差模信号的放大不影响，但对共模信 号有较强的抑制作用，能够大大减小零漂对电路的影响，稳定晶体管的静态工作点。

电子电路系统的正常工作离不开负反馈机制，它是以牺牲放大器的部分放大能 力为代价，却改善了放大器的许多性能指标，比如稳定放大倍数，改变输入、输出 电阻，减小非线性失真和拓宽通频带等。正因如此，任何形式的放大电路都具有负 反馈机制。

如图 2-14 所示为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路，在电路中通过 Rf、Cf 把 输出电压Uo引回到输入端，加在晶体管Q1 的发射极上，在电阻 Rf上形成反馈电压 uf 。由负反馈判断方法可知，此电路为电压串联负反馈电路。

断开开关，如图 2-17 所示为未加入负反馈放大电路的幅频特性。标尺指示的位 置参数为 39.156dB/134.416kHz。

通过仿真，从图 2-17 和图 2-18 可以看出波特图仪的参数设置是基本一样的，但 是两级阻容耦合放大电路引入负反馈后通频带得到了扩展。

前面所讲述的电路各有优点，人们将这些电路合理地集成到一个芯片上，称之 为运算放大器。运算放大器具有两高一低的特点：高放大倍数、高输入电阻和低输 出电阻。集成运算放大电路最初用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、 积分、微分）上，故称为运算放大器，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号 的处理和产生电路之中，因其高性能低价位，在大多数情况下，已经取代了分立元 件放大电路。

利用集成运算放大器和电容、电阻等可以构成滤波器。滤波器是一种能使有用 频率信号通过，而将其余频率的信号抑制或衰减的装置。其在信号处理、抑制干扰 等方面发挥重要作用。传统的滤波器主要由电阻、电容、电感（R、C、L）等无源 器件组成的滤波器称为无源滤波器，而由 R、C等无源器件再配合集成运放这个有 源器件组成的滤波器称为有源滤波器。有源滤波器与无源滤波器相比没有电感，因 此体积小、重量轻。此外，由于运算放大器具有高的电压放大倍数和输入阻抗，低 输出阻抗，因此有源滤波器能够提供一定的信号增益和带负载能力，这是无源滤波 器所不能做到的。通常有源滤波器分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、 带阻滤波器。本文主要研究前三类有源滤波器。

由一阶 RC 低通滤波器电路再加上一个电压跟随器组成。由于电压跟随器的输 入阻抗很高，输出阻抗很低，因此，可得出如下关系

运行电路，打开示波器，如图 2-21 所示。红色曲线为输入端混合信号，蓝色曲 线为输出信号。从图 2-21 可见，输出信号为频率 500Hz的信号，这符合我们的理论 推测。

高通滤波器用来通过高频信号，衰减掉低频信号。由此可见，高通滤波器性能 与低通滤波器相反，其频率响应呈镜像关系。

从图中坐标可知，当频率大于 195Hz 时，信号可以无失真的通过。 为了验证高通滤波器的特性，我们在输入端同样加入峰峰值均为5V，频率分别

为 50Hz 和 10KHz 的正弦波信号，按照理论推测，在高通滤波器的输出端我们应该 得到的输出信号是频率为 10KHz 的信号。探针结果如图 2-26 所示。与理论推断结 果相同。

二阶有源带通滤波器允许在某一个通带范围内的信号通过，而通频带以外频率 的信号均加以衰减。带通滤波器是由低通 RC 环节和高通RC 环节组合二成的。要 将高通的下限频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。要想获 得好的频率特性，一般需要较高的阶数。如图 2-27 所示为二阶有源带通滤波器电路。

500KHz 的正弦波信号。由理论分析，输出端应该得到 4KHz 的信号。探针结果如 图 2-29 所示。从图 2-29 可知，与我们理论分析结果相同。

在某些场合下，我们需要电路具有对信号的进行鉴幅与比较，电压比较器正是 具有此功能电路，利用它可以产生各种非正弦波信号，在测量和控制中有着相当广

用示波器观察输入、输出波形如图所示蓝色曲线为输入电压，红色曲线为输出 电压。过零比较器的传输特性如图 2-31 所示。

虽然过零比较器很灵敏，但是抗干扰能力低,如果输入电压在阈值电压附近且突 然变化或者有外部的干扰，那么输入电压就在阈值电压附近摇摆，使得输出电压也 跟着变化，这显然是我们不太乐见得。滞回比较器具有滞回特性特性，即具有惯性，

过零比较器的传输特性如图 2-33 所示。示波器面板，在 Timebase 区，选择。 选择将 A通道信号作为 X轴扫描信号，B通道施加于 Y轴上。观察李萨育图形。

正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正 弦波输出电压的电路。它广泛地应用于测量、遥控、通讯、自动控制中。

为使正弦波振荡电路能够稳定工作必须有两个条件：一是要有正反馈网络；二 要有外加的选频网络，可以确定振荡频率。振荡平衡的条件 A? F? ? 1，电路的起振条

方波发生电路是其他非正弦波信号发生电路的基础。若方波电压加在积分运算 电路的输入端，则输出就获得了三角波；若改变积分电路正向积分和反向积分时间 常数，使某一方向的积分常数趋于零，则可获得锯齿波。

方波电压只有高电平或是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分。因为 电路中引入反馈产生振荡。因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，电路中要 有延迟环节来确定每种状态维持的时间。方波发生电路如图 2-36 所示

欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即 两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路， 占空比可调的矩形波发生电路如图 2-38 所示。

如果积分电路正向积分的时间常数远大于反向积分的时间常数，那么输出电压 上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯齿波。利用二极管的单向导电性使积分

调整 R2 和 R4 的阻值可以改变锯齿波的幅值；调整 R2 、R4 和 R3 的阻值以及 C 的

容量，可以改变振荡周期；调整电位器滑动端的位置，可以改变锯齿波上升和下降 的斜率。产生的锯齿波如图 2-43 所示。

图 2-43 产生的锯齿波

2.5              DSB 调制与解调分析

调制就是把信号转换成适合在信道中传输的的形式的一种过程。广义的调制分 为基带调制和载波调制，在无线通信中，调制常指载波调制。

载波调制的原理是，用调制信号去改变载波（通常为高频信号）的参数，使载 波的几个参数能够体现调制信号的规律。

中遇到的诸多问题。例如，根据电磁场理论，信号是以电磁波的形式通过天线在空 间中传播。只有信号的波长与天线的长度相比拟时才能够获得较高的辐射效率。通 常情况下，天线长度要大于1/ 4 波长。如果将 3000Hz 的基带信号直接耦合到天线发 射，那么将需要尺寸约为25km 的天线。这是极不现实的情况。如果通过调制，把 基带信号的频谱搬至较高的载波频率上，使已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能，以较小的功率与较短的天线来发射电磁波。其次， 为了实现多路复用，即把不同的基带信号用不同的载波进行调制，使它们的频谱搬 移至不同的高频段，这样就可以同时传输且不干扰。再次，扩展信号的带宽，提高 系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。

最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。 常见的调幅、双边带、单边带和残留边带等调制就是幅度调制的几个典型事例。

单边带调制和残留边带调制的发射设备比调幅调制和双边带调制复杂。而调幅 调制虽然接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。DSB 调制适合点对 点的专用通道。为了服务于我们在第 3 章中设计的综合电路，在这里我们采用 DSB 调制和解调。

假设调制信号 m(t) 的平均值为零。与载波信号 c(t) 相乘得到双边带信号。其实 与表达式为：

与调幅信号相比，DSB 信号的调制效率是 100%，即全部功率都用于信息传输。 上述分析可见，若要实现 DSB 调制我们需要实现三个功能：一、产生高频载波

信号；二、实现调制信号与载波信号相乘；三、将已调信号进行功率放大通过天线 发射出去。下面我们就将围绕 DSB 调制的硬件实现来分析。

我们介绍了 RC桥式振荡电路。但是 RC桥式振荡电路不易起振且振荡频率较低， 这些不足限制了 RC 桥式振荡电路在高频电子线路的应用。实际中的振荡器多采用 石英晶体振荡器和 LC振荡。因西勒振荡器具有频率稳定性高，振幅稳定，频率调 节方便的特点，故本文采用LC振荡电路中的西勒振荡器。

高频功率放大器一般采用谐振回路做负载，解决了大功率放大时的效率、失真、 阻抗变换等问题。电路中的功率管采用高频管，其特点是放大倍数小，特征频率高， 工作时处于截止、放大、至饱和区，具有明显的非线性特性。可以对窄带信号实现 不失真放大，同时又可以使电压增益随输入信号大小变化，实现非线性放大。

? ? Pov

在 Multisim 中是没有热敏电阻仿真模型的，需要我们通过设置电阻参数来进行 模拟设置。将任意一个电阻放置于工作区，双击，打开其参数设置面板。结合 Pt100 的特性，将电阻按照图 3-2 进行设定。

因为电路处理对的是电信号，我们还要想办法将电阻值的变化量转变为电信号。惠 斯通电桥电路即可完成此任务。图 3-3 为直流电桥原理图。

惠斯通电桥常用于测量测量电阻。电阻 R1、R2、R3、R4叫做电桥的四个臂，RL 的作用是检测所在支路有无电流。当 RL没有电流时，电桥达到平衡，此时四个臂满 足如下关系式：

上图所示电路加入运放 U2和 U3后，它对差分信号和共模信号有相同的增益， 及未改变原电路共模抑制比并没有增加。

而图 3-4，标准三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路的改进。增益电阻 器 RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，这样图 3-7 中的 R6和 R7就被取代了。 由电压跟随器的特性（输入电压=输出电压），RG 两端的电压就等于整个差分输入电 压。因为输入电压经过放大后（在 U2和 U3的输出端）的差分电压呈现在 R5，RG 和 R6这三只电阻上，所以可以仅改变 RG来进行差分增益的调整。

图 3-4 标准三运放仪表放大器电路还有另一个优点：当减法器电路的增益用比 率 匹 配 的 电 阻器 设 定 后 ， 在 改 变 增 益 时 不再 对 电阻 匹 配 有 任 何 要 求 。如 果

因为 RG的电压等于 VIN，因此 RG上的电流等于 VIN/RG，输入信号通过 U2和

U3得到了放大。注意，由于放大器输入端的共模电压在 RG两端具有相同的电位， 从而不会在 RG上产生电流。由于没有电流流过 RG（也就无电流流过 R5和 R6），放 大器 U2和 U3将作为电压跟随器而工作。因此，共模信号以 1 倍增益通过输入缓冲 器，而差分电压将按（1 ?2R5 / RG）的增益系数被放大。

理论上，用户可以得到所要求的增益，而不增加共模增益和误差。所以比率〔增

益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。因此 CMRR 理论上直接与增益成 比例增加，这是一个非常有用的特性。最后，由于结构上的对称性，输入放大器的 共模误差，将被输出级的减法器消除。

3.2.4    电压跟随器

电压跟随器的应用已在仪表放大电路中有所了解。这里再次强调其特点和适用 场合。如图 3-8 所示为电压跟随器电路。

图 3-8 电压跟随器

电压跟随器的特点是：输入阻抗极高，输出阻抗极低，一般来说输入阻抗可以 达到几兆欧，而输出电阻可以低到几欧姆。电压跟随器往往起到输出缓冲级的作用。 如果后级的输入阻抗相较于前级的输出电阻不是很高，则根据分压原理，有相当部 分信号消耗在前级阻抗中。这时候哦就可以在中间只有电压跟随器，一方面提高输 入阻抗，一方面降低输出阻抗。

3.2.5    比例运算放大电路

同相比例运算电路如图 3-9 所示。电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输

4.保存 (File>Save)VI 文件并关闭程序框图和前面板，如图 3-11 所示。注意： 有效的仪器可以拥有输入管脚或输出管脚，但是不能两者兼有。如果将输入管脚和 输出管脚的数目都设定为>0，那么该仪器不会被认为是有效的 Labview/Multisim 仪

wendu.vit 中 VI 的前面板是 Multisim 用户看到并进行操作的仪器界面，在程序框图 中可以为仪器添加图形化代码，实现特定功能。我们力求使这个虚拟仪器的对话框 与我们的功能相近，比如要有温度计，数值显示的温度，显示时间的控件，否开启 制冷模块的指示灯。具体步骤如下：

3.在前面板中添加控件，单击右键，选择数值选板中的数值显示控件和温度计和时 间显示控件；选择布尔选板中的圆形指示灯。并将它们合理安排，最终我们还要将 对话框缩小到只能看到这些控件为宜。如图 3-14 所示。

1.在项目管理器中展开程序生成规范，并在 Source Distribution 上双击将其打开。选 择"发布设置”将目标路径改为 ...\wendu\Build\wendu.llb。点击生成按钮。

3.保存项目 (File > Save Project)，并关闭 Labview。 步骤 5：将仪器导入 Multisim10

转到项目的 Build 文件夹"...\wendu\Build\" ，并将新型的仪器"wendu.llb" 复制到 Multisim10 安 装 目 录 ... \lvinstruments\ 文 件 夹 中 。 然 后 启 动Multisim10 。 单 击 simulate|instruments|labview|wendu 拖到工作区 双击如图 3-16 所示。

我们想到了第 2 章中的电压比较器中的过零比较器，不过这个参考电压不再是 接地端，而是由 50V 直流电源与滑动电阻器组成的简单分压电路，设定电压值与温 度关系在图 3-17 中已经标出。制冷电路如图 3-17 所示。

U6 同相输入端接入 17V 的电压值此电压值即为 36℃时仪表放大电路的输出电 压值，将仪表放大电路的输出端接入到 U6 的反向输出端，当温度高于 36℃时，反 相输入端的电压高于 17V,U6 输出为 -Uom,三极管 Q1 的基极接地，此时三极管导通， 继电器 K1 闭合，指示灯和发动机工作。当温度低于 36℃时，反相输入端的电压低 于 17V，U6 输出为 ? Uom，三极管截止，继电器打开，则指示灯和发动机都不工作。

为了实现温度值的远程无线传输，我们采用本文第 2 章 DSB 调制与解调。虽然 Multisim 有强大的电路仿真功能，但是却不能仿真空间电磁场，不得不说是个遗憾。 我们知道信息以无线电波的形式传播出去，必然会有噪声掺杂其中，比如热噪声和 散粒噪声，这些噪声它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的， 统称为高斯白噪声。于是为了与真实空间尽量相似，我们在 DSB 调制电路和解调电路之间加入热噪声源来代替信号在空间中传输所掺杂的噪声。Multisim 的热噪声源

从 Multisim 的帮助中，我们知道热噪声源使用了高斯白噪声来仿真热噪声。当 温度在绝对零度以上，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都有热噪声。热噪声的

阻阻值。前面所述 LC 正弦波正当电路产生的载波频率为 5.06MHZ,峰峰值为 13.5V。 我们设定热噪声电压值为 100mV 级别的量。由（3-16 式），设热噪声源带宽为 100MHz, 温度为 30℃，电阻为 100K ? ，噪声系数为 100。如图 3-19 所示。

将 3.2 节的所述内容综合起来，再经调试，如图 3-24 所示为温度测量电路。利 用热敏电路对温度的反应，经过电桥电路转换为电压值，后经仪表放大电路、电压 跟随器、同乡比例运算放大电路经电压信号进行放大，将温度值显示在虚拟仪器 Labview 上。加入了能够调节阈值温度的制冷模块，一旦温度超过阈值电压则启动 发动机制冷。利用 DSB 调制解调电路实现了数据的远程传输，使用者无须守在仪器

本设计通过对所学电路基本知识进行综合深入的研究，利用 Multisim 对应变测 量电路进行仿真设计，电路的输出电压经 Labview 虚拟仪器仿真后，可直接显示温 度测量值。利用 Multisim 高效的仿真分析功能对该测量电路进行仿真分析，大大提 高了设计效率，节省了不必要的花费时间，使设计更加形象化。