7.2 动态电路分析(MULTISIM)

电路分析仿真实验教程摘要本教程涉及Multisim10在电路分析教程课程教学中的应用。

第一部分通过实例介绍常用仪器仪表的测量方法，主要应用了安培表、伏特表、万用表、信号发生器、示波器，读者可依据所选教材、侧重内容、学习进度适当取舍。

参考书目推荐：1．李良荣罗伟雄杨鲁平等.《EWB9电子设计技术》，北京：机械工业出版社，2007.7。

2．李良荣周骅林洁馨等.《EDA技术及实验》，成都：电子科技大学出版社，2008.8。

3．李良荣罗伟雄杨鲁平等.《现代电子设计技术》，北京：机械工业出版社，2004.7。

12Multisim 10基本应用第一节资源简介1．Multisim 10设计界面设计界面如图1-1所示，2.元件工具条主数据库的元器件资源如图1-2所示。

图1-1 Multisim10的工作界面主菜单系统工具条查看工具条元器件工具条设计工具条虚拟器件工具条正在使用的元件列表仿真开关仪表工具条设计翻页标签设计管理窗口设计工作窗口图1-2元件库资源3选择元器件工具条中每一个按钮都会弹出相应的元器件选择窗口，如图1-3所示是元件组的器件选择界面，其中一个Group （元器件组）有多个Family （元器件系列），每一个元器件系列有多个Component （器件）。

3.仪器工具条仪表工具条如图1-4所示，它是进行虚拟电子实验和电子设计仿真的最快捷而又形象的特殊工具，各仪表的功能名称与Simulate 菜单下的虚拟仪表相同，如图1-5所示。

图1-3通用器件选择窗口功能描述模型商模型名封装商也叫封装名封装类型超连接元器件组元件系列元器件选择窗口电路符号图1-4仪表工具条44.设计窗口翻页在窗口中允许有多个项目，点击如图1-1所示下部的翻页标签，可将其置于当前视窗。

5.设计管理器如图1-1所示左边的设计管理器可以将所有打开的设计项目中的任何一页置为当前设计窗口，可以利用设计工具条中的按钮开启/关闭。

6.设计工具条设计工具条如图1-6所示：图1-5虚拟仪表名称图1-6设计工具条（1）层次项目栏按钮（Toggle Project Bar），用于设计管理器的开启/关闭。

动态电路分析仿真实验一、实验目的1、掌握 Multisim 编辑动态电路、设置动态元件的初始条件、掌握周期激励的属性及对动态电路仿真的方法。

2、理解一阶 RC 电路在方波激励下逐步实现稳态充放电的过程。

3、理解一阶 RL 电路在正弦激励下，全响应与激励接入角的关系。

二、实验器材计算机、Multisim 软件三、实验内容及分析RC 一阶动态电路仿真实验1． 一阶RC 电路的充、放电在 Multisim 10中，搭建RC 充、放电仿真实验电路，如图2.2.1所示。

当动态元件（电容或电感）初始储能为零（即初始状态为零）时，仅由外加激励产生的响应称为零状态响应；如果在换路瞬间动态元件（电容或电感）已储存有能量，那么即使电路中没有外加激励电源，电路中的动态元件（电容或电感）将通过电路放电，在电路中产生响应，即零输入响应。

在 Multisim 10中，单击图2.2.1所示电路中开关J 1的控制键A ，选择RC 电路分别工作在充电（零状态响应）、放电（零输入响应）状态。

（1）RC 充电（零状态响应）J1C1 1uFR110kΩV113 V J1Key = SpaceC11uFIC=13V 31207020911022易小辉7020911037谢剑萍（2）RC 放电（零输入响应）2． 一阶RC 电路的仿真实验。

当一个非零初始状态的一阶电路受到激励时，电路产生的响应称为全响应。

对于线性电路，全响应是零输入响应和零状态响应之和。

R110kΩC11uF7020911022易小辉7020911037谢剑萍XFG1XSC1A BExt Trig++__+_12R=4.5K C=1UFC=5uf R=20k实验结论：通过实验，发现电容电压波形受 R,C 元件参数及时间常数的影响。

其中时间常数对波形的影响从图上看：1.电容冲放电过程由近似的直线变成明显的与电压成非线形关系。

2.随着时间常数的增大，电容一次充电和放电的时间间隔明显增大。

2010年3月第15卷第2期 西　安　邮　电　学　院　学　报JOURNAL OF XI ’AN UNIVERS ITY OF POSTS AND TE L ECOMMUN ICATIONS Mar.2010Vol 115No 12收稿日期5作者简介冯维婷(),女,陕西西安人,西安邮电学院电子工程学院讲师。

Multisim 在电路分析动态电路教学中的应用冯维婷(西安邮电学院电子工程学院,陕西西安　710121)摘要:电路分析课程的理论教学存在理论性强、内容抽象不易理解的问题。

针对此问题,提出了课堂教学中结合Multisim 软件进行电路仿真的一种教学新方法。

以直流激励下动态电路分析为例进行教学实践,内容包括电容器充放电、动态电路的零输入响应和零状态响应及利用三要素求解一阶动态电路。

该教学方法可以加深学生对课程理论的理解,同时提高学习兴趣,从而获得良好教学效果。

关键词:教学;Multisim ;电路分析;动态电路中图分类号:TN701 文献标识码:A 文章编号:1007-3264(2010)02-0169-04引言电路分析课程是高等院校中理工科专业一门重要的专业基础课,它是信号与系统、模拟电子技术、数字电子技术,自动控制原理等一系列重要课程学习的平台,在整个大学课程中有着重要的地位[1]。

该课程有着广阔的应用背景,学习中又需要运用较多的数学和物理知识,具有实用性强而理论抽象的特点。

该课程教学中遇到的一个问题就是,怎样才能使学生对理论知识易于理解,又能自己结合实际活学活用,积极主动学习。

将Multi sim 仿真软件引入课堂是一条行之有效的思路。

Multisim 是加拿大II T 公司推出的电子线路仿真软件EW B 的升级版[2],它把电路图的创建、电路的测试分析和仿真结果等内容集成在一个电路窗口中。

Mult isi m 的元器件库提供了数千种类型的元器件,其中的虚拟元器件可根据需要任意修改元件参数,甚至用户还可以创建新元件。

模拟电子电路multisim仿真1.1 晶体管基本放大电路1.1.1 共射极基本放大电路按下图搭建共射极基本放大电路，选择电路菜单电路图选项（Circuit/Schematic Option ）中的显示/隐藏(Show/Hide)按钮，设置并显示元件的标号与数值等。

1. 静态工作点分析选择分析菜单中的直流工作点分析选项（Analysis/DC Operating Point）（当然，也可以使用仪器库中的数字多用表直接测量）分析结果表明晶体管Q1工作在放大状态。

2. 动态分析用仪器库的函数发生器为电路提供正弦输入信号Vi(幅值为5mV,频率为10kH)，用示波器观察到输入，输出波形。

由波形图可观察到电路的输入，输出电压信号反相位关系。

再一种直接测量电压放大倍数的简便方法是用仪器库中的数字多用表直接测得。

3. 参数扫描分析在上图所示的共射极基本放大电路中，偏置电阻R1的阻值大小直接决定了静态电流IC 的大小，保持输入信号不变，改变R1的阻值，可以观察到输出电压波形的失真情况。

选择分析菜单中的参数扫描选项（Analysis/Parameter Sweep Analysis），在参数扫描设置对话框中将扫描元件设为R1，参数为电阻，扫描起始值为100k，终值为900k，扫描方式为线性，步长增量为400k，输出节点5，扫描用于暂态分析。

４.频率响应分析选择分析菜单中的交流频率分析项（Analysis/AC Frequency Analysis）在交流频率分析参数设置对话框中设定：扫描起始频率为1Hz，终止频率为1GHz，扫描形式为十进制，纵向刻度为线性，节点5做输出节点。

由图分析可得：当共射极基本放大电路输入信号电压VI为幅值5mV的变频电压时，电路输出中频电压幅值约为0.5V，中频电压放大倍数约为100倍，下限频率（X1）为14.22Hz，上限频率（X2）为25.12MHz，放大器的通频带约为25.12MHz。

目录1 Multisim 12简介及使用 (2)1.1 Multisim简介 (2)1.1.1 Multisim概述 (2)1.1.2 Multisim发展历程 (2)1.1.3 Multisim 12的特点 (4)1.2 Multisim 12的基本界面 (6)1.2.1 Multisim 12的主窗口界面 (6)1.2.2 Multisim 12的标题栏 (7)1.2.3 Multisim 12的菜单栏 (7)1.2.4 Multisim 12的工具栏 (9)1.2.5 Multisim 12的元件库 (10)1.2.6 Multisim 12的虚拟仪器库 (12)1.3 Multisim 12的使用方法与实例 (13)页脚内容11Multisim 12简介及使用1.1Multisim简介1.1.1Multisim概述NI Multisim是一款著名的电子设计自动化软件，与NI Ultiboard同属美国国家仪器公司的电路设计软件套件。

是入选伯克利加大SPICE项目中为数不多的几款软件之一。

Multisim在学术界以及产业界被广泛地应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟。

Multisim是以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。

我们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样我们无需懂得深入的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。

1.1.2Multisim发展历程Multisim 电路仿真软件最早是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technologies，IIT）于20世纪80年代末推出的一款专门用于电子线路仿真的虚拟电子工作平台（Electronics Workbench，EWB）。

Multisim的电路分析方法：主要有直流工作点分析，交流分析，瞬态分析，傅里叶分析，噪声分析，失真分析，直流扫描分析，灵敏度分析，参数扫描分析，温度扫描分析，零一极点分析，传递函数分析，最坏情况分析，蒙特卡罗分析，批处理分析，用户自定义分析，噪声系数分析。

1.直流工作点分析（DC Operating）:在进行直流工作点分析时，电路中的交流源将被置零，电容开路，电感短路。

2.交流分析（AC Analysis）：交流分析用于分析电路的频率特性。

需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路中的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处在交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。

若把函数信号发生器的其他信号作为输入激励信号，在进行交流频率分析时，会自动把它作为正弦信号输入。

因此输出响应也是该电路交流频率的函数。

3.瞬态分析（Transient Analysis）：瞬态分析是指定所选定的电路节点的时域响应。

即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。

在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件。

4.傅里叶分析（Fourier Analysis）：用于分析一个时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量。

即把被测节点处的时域变化信号作为离散傅里叶变换，分析的节点，一般将电路中的交流激励源的频率设定为基频，若在电路中有几个交流源时，可以将基频设定在这些频率的最小公因数上。

5.噪声分析（Noise Analysis）:噪声分析用于检查电子线路输出信号的噪声功率幅度，用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。

在分析时，假定电路中各自噪声源是互不相关的，因此他们的数值可以分开各自计算。

总的噪声是各自噪声在该节点的和（用有效值表示）。

6.噪声系数分析（Noise Figure Analysis）:主要用于研究元件模型中的噪声参数对电路的影响。

在Multisim中噪声系数定义中：No是输出噪声功率，Ns是信号源电阻的热噪声，G是电路的AC增益（即二端口网络的输出信号与输入信号的比）。

Multisim软件在电路分析课程中的应用Multisim是一款电路仿真软件，被广泛应用于电气和电子领域的教育、研究和工程设计等领域。

在电路分析课程中，Multisim可以帮助学生更深入地理解电路原理和设计，提高他们的实践能力和创新思维。

本文将详细介绍Multisim软件在电路分析课程中的应用。

一、Multisim软件概述Multisim是由美国电子制造商National Instruments公司开发的一款电路仿真软件，它提供了一个交互式环境，用于设计、仿真和分析电路。

它可以帮助工程师和学生设计和验证电路原理，评估电路性能，调试故障和优化设计。

Multisim拥有可视化的界面，可以让用户通过拖拉拽方式轻松搭建复杂的电路，同时提供了丰富的元器件库和模型选项，用户可以自己编写元器件参数和模型等。

Multisim还支持多种仿真模式，如直流分析、交流分析、时域分析、频域分析、傅里叶分析等，可以满足不同类型的电路分析需求。

二、Multisim在电路分析课程中的应用1.基础电路实验在基础电路实验中，Multisim可以替代传统的纸笔作图和计算，使学生能够更直观地理解电路原理和计算方法。

例如，学生可以通过Multisim绘制简单的电路图，计算电流、电压、电阻等基本参数，并观察电路中的元件如何作用。

此外，Multisim还支持多种交流和直流分析模式，可以方便学生进行各种不同类型的实验。

在学生完成实验后，Multisim还可以自动生成实验报告和结果图表，帮助学生更好地总结实验结果。

2.电路设计和优化Multisim可以帮助学生在设计和优化电路方案时更加高效和准确。

例如，在进行复杂电路的设计时，学生可以利用Multisim 的元器件库搭建电路，并通过多种分析模式进行仿真分析。

通过观察仿真结果，学生可以快速发现电路中可能存在的问题，如电路失稳、振荡、放大倍数低等，并进行相应的修正和优化。

此外，Multisim还可以帮助学生进行电路参数的计算和优化，如电容、电阻、电感等参数的选择和调整，从而实现电路性能的最大化。

一、实验目的1. 掌握使用Multisim软件进行动态电路仿真的基本方法。

2. 理解并验证一阶、二阶动态电路的基本特性。

3. 分析电路参数对动态电路响应的影响。

4. 通过仿真实验，加深对动态电路理论知识的理解。

二、实验原理动态电路是指电路中元件的参数（如电阻、电容、电感等）随时间变化的电路。

动态电路的特性主要取决于电路的结构和元件参数。

本实验主要研究一阶和二阶动态电路的响应特性。

三、实验仪器1. PC机一台2. Multisim软件四、实验内容1. 一阶动态电路仿真（1）搭建RC电路使用Multisim软件搭建一个RC电路，电路参数如下：R=1kΩ，C=1μF。

将电路连接到函数信号发生器上，输出一个5V的方波信号。

（2）仿真分析① 零输入响应：将电容C的初始电压设为5V，观察电容电压uc随时间的变化情况，并记录时间常数τ。

② 零状态响应：将电容C的初始电压设为0V，观察电容电压uc随时间的变化情况，并记录时间常数τ。

③ 完全响应：将电容C的初始电压设为5V，观察电容电压uc随时间的变化情况，并记录时间常数τ。

2. 二阶动态电路仿真（1）搭建RLC电路使用Multisim软件搭建一个RLC电路，电路参数如下：R=1kΩ，L=1mH，C=1μF。

将电路连接到函数信号发生器上，输出一个5V的方波信号。

（2）仿真分析① 零输入响应：将电感L的初始电流设为5A，观察电感电流iL随时间的变化情况，并记录时间常数τ。

② 零状态响应：将电感L的初始电流设为0A，观察电感电流iL随时间的变化情况，并记录时间常数τ。

③ 完全响应：将电感L的初始电流设为5A，观察电感电流iL随时间的变化情况，并记录时间常数τ。

五、实验结果与分析1. 一阶动态电路（1）零输入响应：电容电压uc随时间呈指数衰减，时间常数τ=1s。

（2）零状态响应：电容电压uc随时间呈指数增长，时间常数τ=1s。

（3）完全响应：电容电压uc随时间呈指数衰减和增长，时间常数τ=1s。

Multisim的电路分析方法：主要有直流工作点分析，交流分析，瞬态分析，傅里叶分析，噪声分析，失真分析，直流扫描分析，灵敏度分析，参数扫描分析，温度扫描分析，零一极点分析，传递函数分析，最坏情况分析，蒙特卡罗分析，批处理分析，用户自定义分析，噪声系数分析。

1.直流工作点分析（DC Operating）:在进行直流工作点分析时，电路中的交流源将被置零，电容开路，电感短路。

2.交流分析（AC Analysis）：交流分析用于分析电路的频率特性。

需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路中的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处在交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。

若把函数信号发生器的其他信号作为输入激励信号，在进行交流频率分析时，会自动把它作为正弦信号输入。

因此输出响应也是该电路交流频率的函数。

3.瞬态分析（Transient Analysis）：瞬态分析是指定所选定的电路节点的时域响应。

即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。

在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件。

4.傅里叶分析（Fourier Analysis）：用于分析一个时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量。

即把被测节点处的时域变化信号作为离散傅里叶变换，分析的节点，一般将电路中的交流激励源的频率设定为基频，若在电路中有几个交流源时，可以将基频设定在这些频率的最小公因数上。

5.噪声分析（Noise Analysis）:噪声分析用于检查电子线路输出信号的噪声功率幅度，用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。

在分析时，假定电路中各自噪声源是互不相关的，因此他们的数值可以分开各自计算。

总的噪声是各自噪声在该节点的和（用有效值表示）。

6.噪声系数分析（Noise Figure Analysis）:主要用于研究元件模型中的噪声参数对电路的影响。

在Multisim中噪声系数定义中：No是输出噪声功率，Ns是信号源电阻的热噪声，G是电路的AC增益（即二端口网络的输出信号与输入信号的比）。

一．直流叠加定理仿真图1.1图1.2图1.3结果分析：从上面仿真结果可以看出，V1和I1共同作用时R3两端的电压为36.666V；V1和I1单独工作时R3两端的电压分别为3.333V和33.333V，这两个数值之和等于前者，符合叠加定理。

二．戴维南定理仿真戴维南定理是指一个具有直流源的线性电路，不管它如何复杂，都可以用一个电压源UTH与电阻RTH串联的简单电路来代替，就它们的性能而言，两者是相同的。

图2.1如上图2.1电路所示，可以看出在XMM1和XMM2的两个万用表的面板上显示出电流和电压值为：IRL=16.667mA，URL=3.333V。

图2.2如上图2.2所示电路中断开负载R4，用电压档测量原来R4两端的电压，记该电压为UTH，从万用表的面板上显示出来的电压为UTH=6V。

图2.3在图2.2所测量的基础之上，将直流电源V1用导线替换掉，测量R4两端的的电阻，将其记为RTH，测量结果为RTH=160Ω。

图2.4在R4和RTH 之间串联一个万用表，在R4上并接一个万用表，这时可以读出XMM1和XMM2上读数分别为：IRL1=16.667mA ，URL1=3.333V 。

结果分析：从图2.1的测试结果和图2.4的测试结果可以看出两组的数据基本一样，从而验证了戴维南定理。

三．动态电路的仿真1、一阶动态电路：V1 1 VR110kΩC110uF12图3.12、二阶动态电路分析：图3.2 2、二阶动态电路：V110 VC11uFR12kΩL11H123图3.3一阶动态电路中V2随时间的变化可以看出，在0~500ms之间随时间的增大而非线性增大，大于500ms后趋于稳定。

图3.4当R1电位器阻值分别为500Ω,2000Ω,4700Ω时，输出瞬态波形的变化如上图所示。

四．交流波形叠加仿真图4.1图4.2结果分析：在信号分析中，一个周期的波形只要满足狄利克雷条件，该波形就可以分解为傅里叶级数。

图4.1为波形叠加仿真电路，将1kHz 15V，3kHz 5V和5kHz 3V的3路正弦信号通过电阻网络予以叠加，从图4.2可以看出示波器D通道的波形正好是示波器A,B,C通道波形的叠加，满足交流波形叠加。

Multisim的使用方法和电路仿真分析一．实验目的1.学习使用Multisim软件；2.能熟练的运用Multisim进行电路的仿真分析；二．实验内容1.Multisim系统简介；2.讲解Multisim的基本操作及仪器仪表的使用；3.举例说明用Multisim实现对电路的仿真分析过程；4.完成反比例运算电路，反向加法运算电路和积分运算电路的仿真分析；三．实验仪器1.支持Win2000/2003/Me/XP/vista的PC机；2.Multisim软件;四．实验步骤1. 熟悉Multisim的基本操作命令及仪器图表的使用；2. 根据电路原理图，在Multisim上仿真实现反向比例运算电路，电路原理图如图1所示：图1 反向比例电路电路图（要求：R1取100 KΩ_5% ；R’取9.1 KΩ_5% ; Rf取100 KΩ_1%;电压源选取500mV;)在Multisim中画出实验电路图，并对输出的直流电压进行仿真分析；4.根据电路图，在Multisim上仿真实现反向加法运算电路,电路原理图如图2所示：图2 反向加法运算电路图（要求：R1取10 KΩ_1% ；R2取10KΩ_1% ; R3取10KΩ_1% ; R’取3.3 KΩ_5%;Rf取100 KΩ_1%；Ui1=100mV; Ui2=200mV; Ui3=50mV) 在Multisim中画出实验电路图，并对输出信号进行仿真分析；3. 根据电路原理图，在Multisim上仿真实现积分运算电路，电路原理图如图3所示：图3 积分运算电路（要求：R1取100 KΩ_1% ；R’取100 KΩ_1%; C=10uF；输入端接函数发生器;)在Multisim中画出实验电路图，并用双通道示波器对输入与输出信号进行仿真分析；五．实验报告要求1.写出以三个Multisim中典型的操作表示的意思和使用的场合：AC Analysis；Oscilloscope；Function Generator ；2.简要写明反比例运算电路,反向加法运算电路和积分运算电路在Multisim 上实现的过程；。