电路仿真与虚拟设计技术

第13章Multisim模拟电路仿真本章Multisim10电路仿真软件，本章节讲解使用Multisim进行模拟电路仿真的基本方法。

目录1. Multisim软件入门2. 二极管电路3. 基本放大电路4. 差分放大电路5. 负反馈放大电路6. 集成运放信号运算和处理电路7. 互补对称（OCL）功率放大电路8. 信号产生和转换电路9. 可调式三端集成直流稳压电源电路13.1 Multisim用户界面及基本操作13.1.1 Multisim用户界面在众多的EDA仿真软件中，Multisim软件界面友好、功能强大、易学易用，受到电类设计开发人员的青睐。

Multisim用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件。

Multisim来源于加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technologies，简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，原名EWB。

IIT公司于1988年推出一个用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件Electronics Work Bench（电子工作台，简称EWB），以界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用而得到迅速推广使用。

1996年IIT推出了EWB5.0版本，在EWB5.x版本之后，从EWB6.0版本开始，IIT对EWB进行了较大变动，名称改为Multisim（多功能仿真软件）。

IIT后被美国国家仪器（NI，National Instruments）公司收购，软件更名为NI Multisim，Multisim经历了多个版本的升级，已经有Multisim2001、Multisim7、Multisim8、Multisim9 、Multisim10等版本，9版本之后增加了单片机和LabVIEW虚拟仪器的仿真和应用。

下面以Multisim10为例介绍其基本操作。

图13.1-1是Multisim10的用户界面，包括菜单栏、标准工具栏、主工具栏、虚拟仪器工具栏、元器件工具栏、仿真按钮、状态栏、电路图编辑区等组成部分。

虚拟实验的设计与实现虚拟实验是网络课程的重要组成部分，也是开发与设计的难点。

本文在分析虚拟实验的特点、使用现状及虚拟实验系统构成的基础上，提出了利用仿真软件设计开发综合性、设计性虚拟实验的方案。

采用该方案，具有灵活性、鲁棒性、动态匹配性好、共享方便等特点，便于实验的灵活变更与快速实施。

以数字电路课程为例，给出了设计中的关键技术和相关实现结果。

标签：虚拟实验；网络课程；数字电路；远程教学实验教学作为高等学校教学体系的重要组成部分，对培养学生的创新意识、动手能力、分析问题和解决问题能力有着不可替代的作用。

为满足培养具有高素质、创新能力的人才要求，实验教学在不断地进行着改革，实验教学内容向综合型、设计型转变，由此各种教学媒体被引进到实验教学中来，特别是虚拟实验，对传统实验教学产生了越来越大的影响。

在网络课程的实验中，学生可根据自己的实际情况确定实验内容、安排实验进度，学生自主学习的空间不断扩大，主体地位明显提高，从而满足了社会群体协同学习和个体独立性学习的需要。

但这种新型的实验教学模式的充分实现，必须依托质优量足的虚拟实验作为条件支撑，而目前虚拟实验的开发设计还存在着一些问题。

如何才能设计开发出内容科学、实时和交互功能强、参数变更灵活的虚拟实验，是当前虚拟实验教学中亟待解决的一个问题。

一虚拟实验的特点及设计现状虚拟实验的教学，既有与网络课程的教学特点共通之处，如时空的疏离性、资源的共享性、活动实施的机动性、学习行为的自主性等，又有其自身的特点。

虚拟实验过去一直被称作思想实验(thought experiment)，那是因为过去受客观条件所限，这样的实验只能在人的头脑中进行。

现在一般认为，虚拟实验是以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，以计算机及网络技术为支撑，所实现的揭示客观过程或现象的本质联系和规律的一种科学认识方法[6]。

以数字电路实验为例，说明虚拟实验与传统实验的区别。

传统的数字电路实验室使用的实体实验仪器一般由3个功能模块组成:信号的采集与控制模块、信号的分析与处理模块、结果的表达与输出模块。

使用LabVIEW进行电路仿真快速准确地模拟电路行为LabVIEW是一款功能强大的虚拟仪器软件，广泛应用于各个领域的工程和科学研究中。

其中，电路仿真是LabVIEW广泛使用的一个方面，它可以帮助工程师和科学家快速准确地模拟电路的行为。

本文将介绍如何使用LabVIEW进行电路仿真及其优势。

一、引言近年来，电子技术的迅速发展使得电路设计越来越复杂。

在设计电路前，进行仿真是非常重要的步骤，它可以帮助工程师在实际制造之前评估电路性能。

传统的方法是使用专门的电路仿真软件，但是这样需要学习并掌握特定的软件。

二、LabVIEW的优势与传统的电路仿真软件相比，LabVIEW具有许多独特的优势。

首先，LabVIEW采用图形化编程的方式，使得电路的建模和仿真过程更加直观。

通过将各个元件进行拖拽和连接，工程师可以快速地构建电路模型。

其次，LabVIEW提供了大量的电路模型和元件库。

这些库包含了各种常用的电子元件，如电阻、电容、电感等。

工程师可以直接将这些元件拖拽到界面上，并进行参数设置，从而构建电路模型。

此外，LabVIEW还具备强大的信号处理和分析功能。

在电路仿真中，信号的处理和分析是必不可少的环节。

LabVIEW提供了丰富的信号处理工具，如滤波、谱分析等，工程师可以轻松地对电路的信号进行处理和分析，从而更好地了解电路的行为。

三、LabVIEW的使用方法使用LabVIEW进行电路仿真非常简单。

首先，需要绘制电路结构。

通过在界面上拖拽电子元件，然后用导线将它们连接起来，可以构建出电路的物理结构。

接下来，需要对电子元件进行参数设置。

对于每个元件，都可以通过双击打开参数设置窗口，并设置元件的规格。

例如，对于电阻元件，可以设置其阻值；对于电容元件，可以设置其电容值。

完成电路的绘制和参数设置后，可以添加输入信号，并选择仿真的时间范围。

仿真时间范围的设置将决定仿真的时间长度。

最后，点击仿真按钮，LabVIEW将快速准确地模拟电路的行为。

1 EDA技术的概念及范畴EAD技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。

包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。

目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。

例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA 技术。

本文所指的 EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。

EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。

2 EDA常用软件EDA 工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：multiSIM7（原EWB的最新版本）、PSPICE、OrCAD、PCAD、 Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIIogic、Cadence、MicroSim等等。

这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。

下面按主要功能或主要应用场合，分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件，进行简单介绍。

2.1 电子电路设计与仿真工具我们大家可能都用过试验板或者其他的东西制作过一些电子制做来进行实践。

但是有的时候，我们会发现做出来的东西有很多的问题，事先并没有想到，这样一来就浪费了我们的很多时间和物资。

而且增加了产品的开发周期和延续了产品的上市时间从而使产品失去市场竞争优势。

菜单系统工具栏设计工具栏仪器仪表工具栏电路图编辑窗口四、定制Multisim用户界面操作：设置菜单栏Option /Preferences中各属性选择元件的符号标准ANSI：美国标准DIN：欧洲标准。

元器件和背景的颜色一、电源库电源库中共有30个电源器件，分别是：●接地端●数字接地端● VCC电压源● VDD数字电压源●直流电压源●直流电流源●正弦交流电压源●正弦交流电流源●时钟电压源●调幅信号源●调频电压源●调频电流源● FSK信号源●电压控制正弦波电压源●电压控制方波电压源●电压控制三角波电压源●电压控制电压源●电压控制电流源●电流控制电压源●电流控制电流源●电流控制电压源●电流控制电流源●脉冲电压源●脉冲电流源图●指数电压源●指数电流源●分段线性电压源●分段线性电流源●压控分段电压源●受控单脉冲●多项式电源●非线性相关电源4、时钟电压源实质上是一个频率、占空比及幅度皆可调的方波发生器二、基本元件库●电阻●虚拟电阻●电容●虚拟电容●电解电容●上拉电容●电感●虚拟电感●电位器●虚拟电位器●可变电容●虚拟可变电容●可变电感●虚拟可变电感●开关●继电器●变压器●非线性变压器●磁芯●无芯线圈●连接器●插座●半导体电阻●半导体电容●封装电阻● SMT电阻● SMT电容● SMT电解电容● SMT电感现实元件虚拟元件“GeneralGeneral””页：元件的一般性资料，包括元件的名称、制造商、创建时间、制作者。

“SymbolSymbol””页：元件的符号。

“ModelModel””页：元件的模型，提供电路仿真时所需要的参数。

Footprint””页：元件封装，提供“Footprint给印制电路板设计的原件外形。

Electronic Parameters””页：“Electronic Parameters元件的电气参数，包括元件在实际使用中应该考虑的参数指标。

编辑电阻元件“User FieldsUser Fields””页：用户使用信息。

2021.05科学技术创新174LS138译码器74LS138是一个中规模的集成电路，它的输出表达式为F=A'B'C'+ABC=A ⊙B ⊙C ，它的电路功能为：A 、B 、C 相同，F 输出为1，译码器是输出低电平有效，与非门在这里就是低电平的或非门。

⊙为同或门的符号，就是异或非门，与异或门相反。

它的工作原理十分简单，根据输出表达式，可以看出译码器74LS138是一个完全译码器，涵盖了所有的三变量输入的最小项，这个特性就是它组成任意一个组合逻辑电路的基础。

74LS138一共有16个引脚，其中第1、2、3个引脚为A0-A2，名为地址输入端，第4、5、6个引脚分别为STB 、STC 、STA,名为选通端，其中STB 、STC 低电平有效，其中第15、14、13、12、11、10、9、7个引脚为Y0-Y7，名为输出端（低电平有效），第8个引脚为GND ，接地，第16个为VCC ，接电源，A0-A2以二进制形式输入，然后换成十进制，对应的相应Y 的序号输出低电平，其他均为高电平，在使能端STA （高有效）、STB 、（低有效）、STC （低有效）同时有效的前提下，一个时刻只有一个输出端为低电平，其余为高；使能端无效的话，输出全为高电平。

在使能端STA （高有效）、STB （低有效）、STC （低有效）同时有效的前提下，一个时刻只有一个输出端为低电平，其它全为高电压。

2使用Multisim 二维仿真软件进行74LS138进行电路试验为了更好的理解，我们特使用Multisim 二维仿真软件对74LS138进行电路试验，并对该箱进行试验，我们只使用了一个74LS138译码器。

如图1，其中16引脚接+5V 电源，8引脚接地，15、14、13、12、11、10、9、7引脚接Y0~Y7，这些引脚为输出端，1、2、3引脚接A0、A1、A2，这些引脚为地址输入端，A0-A2以二进制形式输入，然后换成十进制，对应的相应Y 的序号输出低电平，其他均为高电平，4、5引脚接STB 、STC 、，6引脚接STA ，他们的功能是选通端，其中STB 、STC 低电平有效，实验开始，为了能看出高电压与低电压，更好地看出74LS138的功能，我们固定选通端（STA ）连接，即为高电平，另两个选通端（STB ）和（STC ）断开，即为低电平，当A0,A1,A2全被断开时，Y1-Y7灯皆亮，唯独Y0灯是灭的，即Y0为低电平，Y1-Y7为高电平，当A0,A1,A2全被接通时，则Y0-Y6灯全是亮的，Y7是灭的，即Y7为低电平，Y0-Y6为高电平，当A0接通、A1,A2断开时，Multisim 仿真电路图中，Y0、Y2-Y7灯全为亮灯，只有Y1的灯没有亮，所以Y0、Y2-Y7为高电平，Y1为低电平，当A2接通、A0,A1断开时，可观察到Y0、Y1、Y3-Y7的灯皆为亮灯，只有Y2的灯不亮，即Y2为低电平，其余皆为高电平，当A0,A1接通、A2断开时，我们观察到只有Y3灯是灭的，其余全为亮灯，所以Y3为低电平，其余都是高电平。

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）。

几款主流电子电路仿真软件优缺点比较电子电路仿真技术是当今相关专业学习者及工作者必须掌握的技术之一，它有诸多优点：第一，电子电路仿真软件一般都有海量而齐全的电子元器件库和先进的虚拟仪器、仪表，十分方便仿真与测试；第二，仿真电路的连接简单快捷智能化，不需焊接，使用仪器调试不用担心损坏；大大减少了设计时间及金钱的成本；第三，电子电路仿真软件可进行多种准确而复杂的电路分析。

随着电子电路仿真技术的不断发展，许多公司推出了各种功能先进、性能强劲的仿真软件。

既然它们能百家争鸣，那么肯定是在某些方面各有优劣的。

下面就针对几款主流电子电路仿真软件的优缺点进行比较。

(1) Multisim在模电、数电的复杂电路虚拟仿真方面，Multisim是当之无愧的一哥。

它有形象化的极其真实的虚拟仪器，无论界面的外观还是内在的功能，都达到了的最高水平。

它有专业的界面和分类，强大而复杂的功能，对数据的计算方面极其准确。

在我们参加电子竞赛的时候，特别是模拟方向的题目，我们用得最多的仿真软件就是Multisim。

同时，Multisim不仅支持MCU，还支持汇编语言和C语言为单片机注入程序，并有与之配套的制版软件NI Ultiboard10，可以从电路设计到制板layout一条龙服务。

Multisim的缺点是，软件过于庞大，对MCU的支持不足，制板等附加功能比不上其他的专门的软件。

（2）TinaTina的界面简单直观，元器件不算多，但是分类很好，而且TI公司的元器件最齐全。

在比赛时经常用到TI公司的元器件，当在Multisim找不到对应的器件时，我们就会用到Tina来仿真。

Tina的缺点是，功能相对较少，对TI公司之外的元器件支持较少。

(3) ProteusProteus作为一款集电路仿真、PCB设计、单片机仿真于一体软件，它不仅含有大量的基于真实环境的元器件，支持众多主流的单片机型号及通用外设模型，还提供最优秀的实时显示效果，它的动态仿真是基于帧和动画的，因此提供更好的视觉效果。