基于Multisim+Proteus+Altium Designer的電路設(shè)計、仿真與制板 課件 第3章 基于Multisim的典型單元電路仿真分析

第3章基于Multisim的典型單元電路仿真分析

內(nèi)容導(dǎo)航目標(biāo)設(shè)置能夠運用Multisim軟件對專業(yè)基礎(chǔ)課中典型單元電路的功能進行仿真，能夠根據(jù)仿真結(jié)果分析各單元電路的工作原理及參數(shù)設(shè)置，能夠運用Multisim中的虛擬儀器分析電路中的各項功能指標(biāo)內(nèi)容設(shè)置直流穩(wěn)壓源、混聯(lián)直流電路、串聯(lián)諧振電路、單管共射放大電路、測量放大電路、電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路、有源濾波器電路、集成選頻放大器、譯碼器構(gòu)成的跑馬燈、二十四進制計數(shù)器和基于51單片機的跑馬燈控制等典型單元電路的原理圖設(shè)計及仿真能力培養(yǎng)問題分析能力（工程教育認(rèn)證12條標(biāo)準(zhǔn)的第2條），使用現(xiàn)代工具能力（工程教育認(rèn)證12條標(biāo)準(zhǔn)的第5條）本章特色通過典型的單元電路設(shè)計案例分析，學(xué)習(xí)電路設(shè)計的分析方法和Multisim軟件的使用方法，提高學(xué)生的電路設(shè)計能力和軟件操作能力基于能力形成性的教學(xué)設(shè)計（1）檢查學(xué)生設(shè)計的直流穩(wěn)壓源仿真原理圖能否輸出穩(wěn)定的±15V直流電壓。（2）檢查學(xué)生設(shè)計的直流穩(wěn)壓源的電壓調(diào)整率是否不大于0.5%。（3）檢查學(xué)生設(shè)計的直流穩(wěn)壓源的電壓負(fù)載調(diào)整率是否不大于2%。（4）檢測學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計，詢問學(xué)生能否設(shè)計出±5V直流電壓。能否修改變壓器的線圈比，觀察變壓器T2輸出電壓值的變化以及對穩(wěn)壓器產(chǎn)生的影響。（5）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。（6）總結(jié)Multisim軟件的繪制仿真原理圖的步驟。3.1基于Multisim的直流穩(wěn)壓源電路的仿真分析3.1基于Multisim的直流穩(wěn)壓源電路的仿真分析3.1.1直流穩(wěn)壓源設(shè)計要求

能將220V市電轉(zhuǎn)換為±15V的兩路直流穩(wěn)壓源，最大輸出電流為1A，電壓調(diào)整率小于或等于0.5%，負(fù)載調(diào)整率小于或等于2%，紋波電壓（峰峰值）小于或等于5mV，具有過流（短路）保護功能。2．電子元器件的原理圖符號3.1.2基于Multisim的直流穩(wěn)壓源電路仿真原理圖設(shè)計3．電子元器件封裝

表3-1直流穩(wěn)壓源的元器件信息元器件（Component）元器件庫子庫元器件編號標(biāo)稱值A(chǔ)C_POWERSourcesPOWER_SOURCESV1（電壓源）220V/50HzSPSTBasicSWITCHS1（單刀單擲開關(guān)）—GROUNDSourcesPOWER_SOURCES地—1P1S_TAPPEDBasicTRANSFORMERT2（變壓器）15∶1∶11B4B42DiodesFWBBR1（整流橋）—100nFBasicCAPACITORC7～C8（無極性電容）見圖3-91000μF/4.7μFBasicCAP_ELECTROLITC1～C6（電解電容）見圖3-91N4001DiodesDIODED1～D2（普通二極管）見圖3-9LM7815CTPowerVOLTAGE_REGULATORU1（7815穩(wěn)壓管）—LM7915CTPowerVOLTAGE_REGULATORU2（7915穩(wěn)壓管）—100ΩBasicRESISTORR1～R2（可變電阻）見圖3-11

3.1.3基于Multisim的直流穩(wěn)壓源電路仿真分析2.2常用電子元器件的原理圖符號及其封裝圖（1）在仿真過程中，將R1和R2調(diào)整為75%（即1500Ω）時，正端負(fù)載電流為10mA，負(fù)端負(fù)載電流為?10mA，圖3-13中的正端輸出電壓將變?yōu)?5.011V，負(fù)端輸出電壓將變?yōu)?15.050V。

（2）在仿真過程中，將R1和R2調(diào)整為5%（即100Ω）時，正端負(fù)載電流為148mA，負(fù)端負(fù)載電流為?148mA，圖3-13中的正端輸出電壓將變?yōu)?4.824V，負(fù)端輸出電壓將變?yōu)?14.871V。

故正向電壓負(fù)載調(diào)整率為負(fù)向電壓負(fù)載調(diào)整率為

它們都低于設(shè)計要求的1.5%，顯然滿足設(shè)計要求。不同計算機在仿真時讀出的仿真值略有不同，但相差不大，不影響設(shè)計結(jié)果。（3-3）（3-4）2.2常用電子元器件的原理圖符號及其封裝圖3.2

基于Multisim的混聯(lián)直流電路的仿真分析教學(xué)設(shè)計：（1）檢測學(xué)生基于Multisim的混聯(lián)直流電路仿真分析結(jié)果。（2）要求學(xué)生運用的電路分析方法（節(jié)點電壓法、回路電流法）列出電路的方程，對比軟件仿真測試之間的關(guān)系。（3）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。（4）總結(jié)Multisim軟件的繪制仿真原理圖及靜態(tài)工作點的仿真步驟。3.2

基于Multisim的混聯(lián)直流電路的仿真分析

在直流電路中，當(dāng)出現(xiàn)多個電壓源、電流源及多個電阻的混聯(lián)時，直流電路的分析將變得相對復(fù)雜，通常采用電路定理列寫電壓、電流方程并依據(jù)其求解的方式實現(xiàn)對電路的分析，當(dāng)電路復(fù)雜到一定程度時，就需借助計算機進行輔助運算。利用Multisim的直流/交流工作點分析功能，可以快速地解決這一問題。

本節(jié)通過Multisim的原理圖編輯器繪制了4網(wǎng)孔的混聯(lián)直流電路的原理圖，運用Multisim的仿真工具分析混聯(lián)直流電路的靜態(tài)工作點的電流和電壓，提高學(xué)生對復(fù)雜電路的靜態(tài)工作點的分析能力，從而提高學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力和電路分析能力。3.2

基于Multisim的混聯(lián)直流電路的仿真分析1．復(fù)雜混聯(lián)直流電路的仿真原理圖設(shè)計3.2

基于Multisim的混聯(lián)直流電路的仿真分析表3-2混聯(lián)直流電路的元器件信息元器件（Component）元器件庫子庫元器件編號標(biāo)稱值DC_POWERSourcesPOWER_SOURCESV1（電壓源）12VDC_POWERSourcesPOWER_SOURCESV2（電壓源）24VDC_CURRENTSourcesSIGNAL_CURRENT_SOURCESI1（電流源）2AGROUNDSourcesPOWER_SOURCES——5ΩBasicRESISTORR1、R4（電阻）5?10ΩBasicRESISTORR2、R5（電阻）10?20ΩBasicRESISTORR3（電阻）20?3.2

基于Multisim的混聯(lián)直流電路的仿真分析2．復(fù)雜混聯(lián)直流電路靜態(tài)工作點狀態(tài)分析3.3

基于Multisim的串聯(lián)諧振電路的仿真分析教學(xué)設(shè)計：（1）檢測學(xué)生基于Multisim的串聯(lián)諧振電路仿真分析結(jié)果。（2）要求學(xué)生改變參數(shù)計算諧振的頻率。（3）詢問學(xué)生對產(chǎn)生諧振的條件、幅頻特性以及相頻特性等基本概念。（4）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。（5）總結(jié)Multisim軟件傅里葉分析方法的仿真步驟。3.3

基于Multisim的串聯(lián)諧振電路的仿真分析在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內(nèi)，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等，即XC=XL時，電路中的電壓u與電流i的相位相同，電路呈現(xiàn)電阻性，這種現(xiàn)象叫作串聯(lián)諧振。本節(jié)通過Multisim的原理圖編輯器繪制基于電阻、電感及電容的串聯(lián)諧振電路原理圖，并運用Multisim中的虛擬波特分析儀工具分析串聯(lián)諧振電路的諧振現(xiàn)象。讀者通過分析串聯(lián)諧振電路的幅頻特性和相頻特性，可掌握相關(guān)分析方法，從而提高使用現(xiàn)代工具的能力和電路分析能力。1．串聯(lián)諧振電路設(shè)計要求

設(shè)計一個由電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)諧振電路，分析其串聯(lián)諧振特性。3.3

基于Multisim的串聯(lián)諧振電路的仿真分析2．串聯(lián)諧振電路的仿真原理圖設(shè)計3.3

基于Multisim的串聯(lián)諧振電路的仿真分析表3-3串聯(lián)諧振電路的元器件信息名稱（Component）元器件庫子庫元器件編號標(biāo)稱值A(chǔ)C_POWERSourcesPOWER_SOURCESV1（交流電壓源）有效值（RMS）=1V，頻率為159Hz，相位為0oGROUNDSourcesPOWER_SOURCES——1HBasicINDUCTORL1（電感）1H1μFBasicCAPACITORC1（電容）1μF1k?BasicPOTENTIOMETERR1（可變電阻）1k?BodePlotter虛擬波特分析儀位于儀器欄中，編號為XBP13.3

基于Multisim的串聯(lián)諧振電路的仿真分析3．串聯(lián)諧振電路仿真分析1）串聯(lián)諧振電路的幅頻和相頻特性曲線分析3.3

基于Multisim的串聯(lián)諧振電路的仿真分析3．串聯(lián)諧振電路仿真分析2）串聯(lián)諧振電路的傅里葉分析3.4基于Multisim的單管共射放大電路的仿真分析教學(xué)設(shè)計：（1）檢測學(xué)生基于Multisim的單管共射放大電路的仿真分析結(jié)果。（2）要求學(xué)生能計算出放大電路的輸出電阻、輸入電阻以及電路的電壓放大倍數(shù)。（3）要求學(xué)生掌握放大電路的動態(tài)分析方法。（4）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。（5）總結(jié)Multisim軟件單管共射放大電路靜態(tài)工作點仿真分析方法的步驟。3.4基于Multisim的單管共射放大電路的仿真分析

單管共射放大電路是放大電路的基本形式，要在放大電路中對微弱信號進行不失真的放大，必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，并對電路的電壓增益、輸入電阻及輸出電阻進行分析。

本節(jié)運用Multisim的原理圖編輯器繪制基于2N2222晶體管共射放大電路的原理圖，并通過Multisim的虛擬示波器、虛擬函數(shù)信號發(fā)生器、虛擬電流表和虛擬電壓表等仿真工具分析單管共射放大電路的靜態(tài)工作點與放大倍數(shù)，使學(xué)生掌握單管共射放大電路的靜態(tài)工作點的集電極電流、電流放大倍數(shù)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻及輸出電阻的計算方法，從而提高學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力和電路分析能力。3.4基于Multisim的單管共射放大電路的仿真分析1.單管共射放大電路原理圖設(shè)計3.4基于Multisim的單管共射放大電路的仿真分析表3-4單管共射放大電路的元器件信息元器件（Component）元器件庫子庫元器件編號標(biāo)稱值VCCSourcesPOWER_SOURCESVCC12VGROUNDSourcesPOWER_SOURCES——2N2222TransistorsBJT_NPNQ1（晶體管）NPN10μFBasicCAP_ELECTROLITC1～C2（電解電容）10μF47μFBasicCAP_ELECTROLITC3（電解電容）47μF60k?/30k?/3k?/2k?/100?/10k?BasicRESISTORR1/R2/R3/R4/R5/R6（電阻）60k?/30k?/3k?/2k?/100?/10k?Functiongenerator虛擬函數(shù)信號發(fā)生器位于儀器欄中，編號為XFG1，雙擊其圖標(biāo)，設(shè)置為1kHz、5mV的正弦波Oscilloscope虛擬示波器位于儀器欄中，編號為XSC1，雙擊其圖標(biāo)，將時間掃描參數(shù)Timebase的量程Scale設(shè)為500μs/Div，將ChannelA的量程Scale設(shè)置為10mV/Div，將ChannelB的量程Scale設(shè)置為200mV/Div3.4基于Multisim的單管共射放大電路的仿真分析2．單管共射放大電路靜態(tài)工作點仿真分析3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析教學(xué)設(shè)計：（1）檢測學(xué)生基于Multisim測量放大電路的仿真分析結(jié)果。（2）要求學(xué)生能計算出測量放大電路電壓放大倍數(shù)。（3）要求學(xué)生掌握放大電路的動態(tài)分析方法。（4）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。（5）詢問測量放大電路的中放大器的基本特性及相關(guān)概念。3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析

測量放大器又稱為數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器，常用于熱電偶、應(yīng)變電橋流量計、生物電測量及其他有較大共模干擾的緩慢變化微弱信號的測量。

本節(jié)運用Multisim的原理圖編輯器繪制基于運算放大器的測量放大電路的原理圖，并對其工作原理進行理論分析，然后通過Multisim的虛擬示波器和虛擬函數(shù)信號發(fā)生器驗證測量放大電路的放大倍數(shù)，使學(xué)生掌握測量放大電路的設(shè)計方法及放大倍數(shù)的計算方法，從而提高學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力和電路分析能力。3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析1．測量放大電路原理圖設(shè)計3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析表3-5測量放大器電路元器件信息元器件（Component）元器件庫子庫元器件編號標(biāo)稱值OPAMP_3T_VIRTUALAnalogANALOG_VIRTUAL（虛擬模擬元器件庫）A1～A3（運算放大器）理想放大器GROUNDSourcesPOWER_SOURCES——10k?BasicRESISTORRG、R4、R610kΩ100k?BasicRESISTORR1、R2、R5、R7100k?Functiongenerator虛擬函數(shù)信號發(fā)生器位于儀器欄中，編號為XFG1，雙擊其圖標(biāo)，設(shè)置為1kHz、5mV的正弦波3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析2、測量放大電路原理分析3.6基于Multisim的電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路的仿真分析教學(xué)設(shè)計：（1）檢測學(xué)生基于Multisim的電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的仿真分析結(jié)果。（2）要求學(xué)生能分析電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的工作原理。（3）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析

電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路用來將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖信號，該輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓的大小成正比。把電壓信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號后，可以明顯地增強信號的抗干擾能力，有利于遠距離傳輸。電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路被廣泛地用于模擬?數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、調(diào)頻、遙測、遙感等各種設(shè)備中。

本節(jié)運用Multisim的原理圖編輯器繪制基于741的電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路原理圖，并對電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路的工作原理進行分析，然后通過Multisim的虛擬示波器仿真工具驗證電路設(shè)計的正確性，使學(xué)生掌握電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方法，從而提高學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力和電路分析能力。3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析1．電壓?頻率轉(zhuǎn)換電路原理圖設(shè)計3.5基于Multisim的測量放大電路的仿真分析2電壓—頻率轉(zhuǎn)換電路仿真3.9基于Multisim的譯碼器構(gòu)成的跑馬燈電路的仿真分析教學(xué)設(shè)計：（1）檢測學(xué)生基于Multisim的譯碼器構(gòu)成的跑馬燈電路的仿真分析結(jié)果。（2）要求學(xué)生能分析譯碼器構(gòu)成的跑馬燈電路的工作原理。（3）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。（4）對電路進行創(chuàng)新設(shè)計。3.9基于Multisim的譯碼器構(gòu)成的跑馬燈電路的仿真分析

跑馬燈就是逐個、分時、通電點亮的指示燈群。能實現(xiàn)跑馬燈功能的電路就是跑馬燈電路，跑馬燈電路有多種方式，本節(jié)采用譯碼器來設(shè)計跑馬燈電路。

本節(jié)運用Multisim的原理圖編輯器繪制基于譯碼器的跑馬燈電路的原理圖，然后通過Multisim的模擬仿真和虛擬字發(fā)生器驗證電路設(shè)計的正確性，使學(xué)生掌握譯碼器的工作原理和跑馬燈的設(shè)計方法，從而提高學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力和電路分析能力。3.9基于Multisim的譯碼器構(gòu)成的跑馬燈電路的仿真分析1．基于譯碼器的跑馬燈電路的原理圖設(shè)計3.9基于Multisim的譯碼器構(gòu)成的跑馬燈電路的仿真分析2、基于譯碼器構(gòu)成的跑馬燈的電路原理分析

可觀察到探針X1（滅）、X2～X16（亮）；X1（亮）、X2（滅）、X3～X16（亮）；X1～X2（亮）、X3（滅）、X4～X16（亮）；X1～X3（亮）、X4（滅）、X5～X15（亮）；以此規(guī)律每次只亮一個燈，類似于跑馬燈。3.10基于Multisim的二十四進制計數(shù)器電路的仿真分析教學(xué)設(shè)計：（1）檢測學(xué)生基于Multisim的二十四進制電路的仿真分析結(jié)果。（2）要求學(xué)生能分析二十四進制電路的工作原理、熟悉電路中各元器件的工作特性。（3）檢測學(xué)生對虛擬儀器的使用情況。（4）能運用不同的設(shè)計方法設(shè)計二十四進制電路；能設(shè)計十二或六十進制仿真電路。（5）能看懂邏輯分析儀的輸出邏輯波形3.10基于Multisim的二十四進制計數(shù)器電路的仿真分析

計數(shù)是一種最基本的運算，計數(shù)器就是實現(xiàn)這種運算的邏輯電路，計數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中主要用來對脈沖進行計數(shù)，以實現(xiàn)測量、計數(shù)和控制的功能，同時兼有分頻功能。計數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如在電子計算機的控制器中對指令地址進行計數(shù)，以便順序取出下一條指令，如在運算器中做乘法、除法運算時記下加法、減法次數(shù)，又如在數(shù)字儀器中對脈沖的計數(shù)等。

本節(jié)運用Multisim的原理圖編輯器繪制二十四進制計數(shù)器的電路原理圖，然后通過Multisim的虛擬數(shù)碼管和虛擬邏輯分析儀驗證電路設(shè)計的正確性，使學(xué)生掌握計數(shù)器的工作原理和設(shè)計方法，從而提高學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力和電路分析能力。3.10基于Multisim的二十四進制計數(shù)器電路的仿真分析1．二十四進制計數(shù)器原理圖