摘要：為了了解Multisim在實際電路設(shè)計與仿真中的應(yīng)用，在此以集成運算放大器為研究對象，基于Multisim對其進(jìn)行了仿真分析，針對集成運算放大器的三種不同連接方式，分別做了同比例運算、反相比例運算和差分放大等三組仿真實驗，實驗結(jié)果表明其理論計算與仿真結(jié)果一致。最后，還提出了解決仿真過程中出現(xiàn)的常見問題的方案，從而為從事該領(lǐng)域研究的工作者提供了一種便利。

關(guān)鍵詞：Multisim；集成運算放大器；連接方式；仿真分析

0 引言

目前隨著國際上電子工業(yè)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計算機(jī)系統(tǒng)緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短。以定量估算和電路試驗為基礎(chǔ)的電路設(shè)計方法已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前激烈競爭的市場。電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)，使得電子線路的沒計人員能在計算機(jī)上完成電路的功能設(shè)計、邏輯設(shè)計、性能分析、時序測試直至印刷電路板的自動生成，其中包括印制板的溫度分布和電磁兼容性測試，代表著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)潮流。

而Multisim是加拿大IIT(Interactive Image Technologies)公司在EWB(Electronics Workbench)基礎(chǔ)上推出的電子電路仿真設(shè)計軟件，是一個專門用于電子線路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。本文將對Multisim軟件在虛擬系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，從而為虛擬電子系統(tǒng)的設(shè)計、電子產(chǎn)品的開發(fā)和電子系統(tǒng)工程提供了一種全新的于段和便捷的途徑。

1 相關(guān)工作

目前已有眾多的學(xué)者對基于Multisim的系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)進(jìn)行了研究，相繼提出了一系列有指導(dǎo)意義的方法。如文獻(xiàn)介紹Multisim應(yīng)用軟件系統(tǒng)及在實際電路設(shè)計與仿真中的應(yīng)用。在此以實際成功的工程應(yīng)用為例，闡述Multisim在電路設(shè)計與仿真實踐中的運用與研究的親身體驗，并結(jié)合電路仿真過程中遇到的問題，提出解決問題的思路，給出具體解決問題的方法。文獻(xiàn)介紹了如何應(yīng)用Multisim中Filter Wizard進(jìn)行濾波器設(shè)計的基本慨念和步驟。通過一個具體的實例來介紹了應(yīng)用Multisim中Filter wizard設(shè)計濾波器的方法。文獻(xiàn)針對傳統(tǒng)高頻電子線路教學(xué)中存在的問題，提出在教學(xué)中引入計算仿真進(jìn)行輔助分析與設(shè)計。闡述了Multisim的主要功能與特點，并利用Multisim對高頻電路中的典型電路單調(diào)諧回路諧振放大器、環(huán)形調(diào)幅器進(jìn)行了仿真，各項結(jié)果與理論推導(dǎo)相符，形象、生動的演示達(dá)到提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的效果。文獻(xiàn)首先簡要介紹了Multisim 8軟件的特點，然后利用該軟件對時差分放大電路進(jìn)行仿真分析，研究其如何實現(xiàn)對差模信號放大和對共模信號抑制。仿真結(jié)果與理論分析計算一致，在課堂上使模擬電子技術(shù)教學(xué)更形象、靈活、更貼近工程實際，達(dá)到了幫助學(xué)生理解原理，更好地掌握所學(xué)的知識的目的。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，針對集成運算放大器的不同連接方式，通過仿真實驗驗證了其理論計算與仿真結(jié)果的一致性。

2 Multisim軟件的特點

Multisim是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。它具有如下特點：

(1)具有直觀的圖形界面。整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將連接起來。軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。

(2)具有一個龐大的元氣件庫。具備如信號源、基本元氣件、模擬集成電路、數(shù)字集成電路、指示部件、控制部件等各種元氣件。

(3)具有強大的仿真能力。既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)／?；旌戏抡妫绕涫切略隽松漕l(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果可隨時儲存和打印。

(4)強大的分析功能。提供了14種仿真分析方法，如直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、參數(shù)掃描分析、零極點分析、傳遞函數(shù)分析、溫度掃描分析、后處理分析等。

(5)強大的虛擬儀器功能。如示波器、萬用表、瓦特計、掃描儀、失真儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、字信號發(fā)生器等。

(6)VHDL／Verilog設(shè)計輸入和仿真。Multisim軟件將VHDL／Verilog的設(shè)計和仿真包含進(jìn)去(選件)，使得大規(guī)模可編程邏輯器件的設(shè)計和仿真與模擬電路、數(shù)字電路的設(shè)計和仿真融為一體，突破了原來大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷o法與普通電路融為一體仿真的瓶頸。

(7)可以與電路板設(shè)計軟件無縫連接。Multisim軟件的設(shè)計結(jié)果可以方便地導(dǎo)出到電路板設(shè)計軟件中進(jìn)行電路板走線。

(8)遠(yuǎn)程控制功能。Multisim軟件支持遠(yuǎn)程控制功能，不僅可以將Multisim軟件的界而共享給其他人，使得其他人在自己的計算機(jī)上看到控制者的操作情況，而且可以將控制權(quán)交給其他人，讓其操作該軟件，這樣可以實現(xiàn)交互式教學(xué)，是進(jìn)行電子線路教學(xué)的理想工具。

3 集成放大器仿真分析

幾乎所有的集成運算放大器都采用差分電路作為它的放大電路。集成運算電路最初僅僅被用來進(jìn)行數(shù)學(xué)運算。但是現(xiàn)在意義L的運算放大器的概念，早己超越了數(shù)學(xué)運算的功能范疇。若它工作在線性區(qū)，則可以實現(xiàn)反相比例放大、反相求和、同相求和等電路時限運算功能；若工作在非線性區(qū)，可以組成諸如比較器、微積分電路及多種信號發(fā)生電路等。

集成運算放大器有三種連接方式：同相、反相和差分輸入，本文實驗將對于三種連接方式分別進(jìn)行仿真。

(1)同相比例運算仿真電路。打開Multisim軟件，按照圖1所示連接電路原理圖。

設(shè)置虛擬信號發(fā)生器的信號為1 kHz，2 V正弦波信號，打開仿真開關(guān)，如圖2所示調(diào)節(jié)虛擬示波器的參數(shù)設(shè)置，并分別觀察虛擬示波器波形圖。

不斷改變輸入電壓Vi的大小，并根據(jù)虛擬示波器讀數(shù)指針?biāo)谖恢?，讀出Vt的示數(shù)，記錄，并將其與理論計算值Vm進(jìn)行比較，如表1所示。

從表1可以看到，仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本相同。另外，反相比例運算的仿真與此類似，限于篇幅，不再詳述。

(2)差分放大電路仿真。運行Multisim，在繪圖編輯器中選擇信號源、直流電源、三極管、電阻，創(chuàng)建雙端輸入雙端輸出差分放大電路如圖3所示，標(biāo)出電路中的結(jié)點編號。

該次仿真中，采用虛擬直流電壓源和虛擬晶體管，差分輸入信號采用一對峰值為5 mV、頻率為1 kHz的虛擬正弦波信號源。設(shè)置虛擬晶體管的模型參數(shù)BF=150，RB=300 Ω。

加差模信號ui1，ui2分別接入電路的左、右輸入端，電阻R1作為輸出負(fù)載，則電路的接法屬于雙入雙出。將四通道示波器XSC1的3個通道分別接在信號源ui1和負(fù)載R1兩端，如圖4所示。運行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，調(diào)整各通道顯示比例，得差分放大電路的輸入／輸出波形如圖5所示。

采用示波器觀察和測量輸入電壓和輸出電壓值，差模信號單邊電壓，單邊輸出交流幅值約為170．124 mV(500 mV／DIV)，所以雙入雙出差分放大電路的差模放大倍數(shù)-47，與單管共射的放大倍數(shù)相同，即差分放大電路對差模信號具有很強的放大能力。仿真結(jié)果與題中理論計算結(jié)果相同。

另外，在圖4中，將信號源ui2的方向反過來，即加上共模信號，運行并雙擊示波器圖標(biāo)XSC1，調(diào)整A，B通道顯示比例?？傻萌鐖D5所示波形。

由圖5波形可知。在峰-峰14 mV(有效值為5 mV)的共模信號作用下。輸出的峰值極小，峰-峰值為13 mV，因此單邊共模放大倍數(shù)小于1。且ui1和ui2大小相等，極性相同。所以，在參數(shù)對稱且雙端輸出時，共模放大倍數(shù)等于0，說明差分放大電路對共模信號具有很強的抑制能力。顯然，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

4 仿真常見問題及其解決方法

由于設(shè)計者要求是各種各樣，經(jīng)常會遇到找不到仿真元件的情況，Multisim雖然存有成千上萬個仿真元件，但仍然不能滿足用戶的所有要求，缺一個或缺幾個都會影響仿真運行。下面介紹幾種缺仿真元件的解決方法：

(1)用性能相近的元器件代替，但會影響其準(zhǔn)確性。

(2)通過EDAparts．com網(wǎng)站與Free Trade zone Design center聯(lián)系，從其標(biāo)稱超過120萬的元器件中查找并購買所需器件模型，還需對圖形。引腳進(jìn)行處理。

(3)利用Muhisim提供的元件編輯工具，對現(xiàn)有元件模型進(jìn)行編輯修改，不失為一個有效可行的方法。

(4)若自創(chuàng)建一個元件，需要設(shè)計者熟悉SPice語言，熟悉元件的各種電器參數(shù)等條件，且設(shè)計過程非常復(fù)雜。因此，作者建議設(shè)計者在遇到此類情況時，盡量避免創(chuàng)建元件。

另外，設(shè)計者在運行仿真時，常會出現(xiàn)仿真失敗提示，常見錯誤及糾正方法如下：

(1)節(jié)點未找到或節(jié)點錯誤。根據(jù)失敗提示，設(shè)計者須對仿真原理圖分析，找出缺失節(jié)點處，進(jìn)行糾正。

(2)設(shè)計規(guī)則沖突。設(shè)計者設(shè)計的仿真原理圖與設(shè)置的電氣規(guī)則不符，通過對仿真原理圖和電氣規(guī)則的分析，根據(jù)實際情況，選擇對仿真原理圖或?qū)﹄姎庖?guī)則進(jìn)行修改。

(3)若出現(xiàn)“No convergerice in Dc analysis”信息提示，可從分析選項中找到Miscellaneous options菜單，選中ITL1，將其默認(rèn)值100增加到500～1 000。

(4)若出現(xiàn)“Time step too small”或者“No convergence in Ttransint analysis”，可從分析選項中找到Miscellaneous options菜單，選中ITIA，將其默認(rèn)值10增加到15～20。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用Muhisim軟件對集成運算放大器進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明仿真與理論分析和計算結(jié)果一致。另外，還針對仿真過程中可能存在的各種問題，提出了一系列的解決方案，從而為該領(lǐng)域的研究者提供了參考。

以后的工作包括以下兩個方面：一是進(jìn)一步研究基于Multisim的門電路以及差分電路的仿真分析；二是基于Multisim進(jìn)行虛擬電子實驗的設(shè)計，并將其應(yīng)用到實踐教學(xué)中。