10.4 典型电路设计与测试

目 录10.1 虚拟电子实验室(Multisim 7)

10.1.1　 Multisim 7基本操作10.1.2 Multisim 7电路仿真分析

10.2 Multisim 7基本分析方法10.2.1　 直流工作点分析

10.2.2 交流分析10.3 常用模拟电路分析举例

10.3.1 单管共发射极放大电路 10.3.2 整流电路

附录 电路仿真软件介绍

要点 :

1. Multisim 7的基本操作功能，用Multisim 7对低频模拟电路进行仿真的方法

2. 用Multisim 7对电路进行电路进行设计和测试的 方法

3. Multisim 7 的高级分析方法

难点 :

用Multisim 7 对典型电路的测试和设计

10.1 虚拟电子实验室 (Multisim 7)

加拿大 IIT(Interactive Image Technologies)公司推出的从电路仿真设计到版图生成全过程的电子设计平台(Electronics Workbench)，该软件是一套功能完善、操作界面友好、使用方便的 EDA工具。电子设计平台主要包括Multisim电路仿真设计工具、 VHDL/Verilog编辑 /编译工具、 UltiboardPCB设计工具和 ULtirounte自动布线工具。各工具之间的相互关系如图 10-1所示。 这些工具可以独立使用，也可以配套使用，如果配备了上述全部工具，就可以构成一个相对完整的电子设计软件平台。

Multisim

电路仿真设计工具

Ultiboard PCB设计工具

VHDL/Verilog

编辑/编译工具

ULtirounte

自动布线工具

设计输入

正向传递

设计输出

PCB后端设计

PCB前端设计

反向注释

图 10-1 电子设计平台 EWB各工具之间的关 系

10.1.1 Multisim 7基本操作

图 10-2 Multisim 7的操作界面

1. 界面介绍(1) 菜单栏 提供文件管理，创建电路和仿真分析等所需的各种命令。

(2) 工具栏 提供常用的操作命令，如图 10-3所示，用鼠标单击某一按钮，可完成其对应的功能。

图 10-3 常用的操作命 令

(3) 元器件库栏 (如图 10-4所示 )

图 10-4 元器件库栏

(4) 仪器仪表栏 (如图 10-5所示 )

图 10-5 仪器仪表栏

2. 元器件库的使用方法

调用元器件是电路创建中最基本的操作之一，调用元器件经常遇到的操作有选择元器件、移动元器件、旋转元器件和设置元器件参数等。

(1) 选择元器件

点击你要找的元器件库栏的图标，打开该元器库。在屏幕上会出现一个对话框，从中选择所需的元器件，如图 10-6所示。图中所示为在基本元件库中选择了 NPN的双极性三极管，单击 OK按钮，三极管则跟随鼠标移动，可以将该元器件放到电路工作区合适的位置。常用的元器件库有 10个，如图 10-4所示。

(2) 选中元器件并对其进行操作

进行电路连接时，经常需要对元器件进行各种操作，如移动、删除、旋转等。用鼠标单击要选中的元器件后并右击，又会弹出一个对话框，点击对话框中相应的操作，就可以对其进行相应的操作。操作结束后，单击电路工作区的空白处，即可取消对该元器件的选择。若要同时选中多个元器件，可以用鼠标左键画出一个矩形区，将所要选中的元器件包含在矩形内，这时用对单个元件操作的方法就可以对选中的多个元器件进行操作。元器件操作对话框的功能，如图10-7所示。

图 10-6 选择元器件对话框

图 10-7 对元器件操作的菜单

(3) 元器件特性参数 元器件被选中后，双击该元器件或者选择菜单 Edit下的Properties命令，在弹出的元器件特性对话框中，可以设置或编辑元器件的各种特性参数。一个三极管的特性对话框如图10-8所示， Label选项用于设置元器件的 Reference ID(序号 )， Label(标识 )和 Attributes(属性 )，其中 Reference ID是系统自动分配的，也可以修改，但修改时应保证 Reference ID的唯一性。电路图中是否显示元器件的编号、标识等信息，可以通过菜单 Options下的 Preferences对话框进行设置。 Display选项用于设置 Label(标识 )、 Value(数值 )、 Reference ID(序号 )和 Attributes(属性 )的显示方式。显示方式与 Options下的 Pregerences对话框的设置一致，也可以改变每个元器件的显示方式。 Value选项用于编辑元器件的特性、模型参数和引脚封装等。 Fault选项可以人为设置元器件的隐含故障，如 None(无故障 )、 Open(开路 )、 Short(短路 )或 Leakage(漏电 )。

图 10-8 元器件特性对话框　

3. 电路图 Options菜单下的 Preferences命令用于设置与电路显示方式相关的选项。选择 Options | Preferences命令，出现如图 10-9所示的对话框，每个选项下又有各个不同的对话内容。(1) Circuit选项卡 Circuit选项下面有两个选项组， Show选项组决定是否显示电路参数， Color选项组决定电路显示的颜色。 Show选项组的显示控制如下。

Show component label：是否显示元器件的标识文字。Show component reference ID：是否显示元器件的序号。Show node names：是否显示节点的编号。Show component values：是否显示元器件的数值。Show component attribute：是否显示元器件的属性。

Color选项组用来改变电路显示的颜色，如果选择自定义方式， Color选项组中的 5个按钮就会被激活，用来定义电路工作区的背景、导线和元器件的颜色。

(2) Workspace选项卡

Workspace选项卡有 3个选项组。其中， Show选项组实现电路工作区显示方式的控制： Sheet size选项组实现图纸大小和方向的设置； Zoom level选项组实现电路工作区显示比例的控制。显示方式的控制如下。

Show gird：电路工作区是否显示格点。Show page bounds：电路工作区是否显示页面边界。Show title block：电路工作区是否显示标题栏。

图 10-9 器件特性对话框

(3) Wiring选项卡

Wiring选项卡有两个选项组。其中，Wire width选项组设置连接线的线宽； Autowire选项组控制自动边线的方式。自动连线的控制如下。

Autowire on connection：选择是否自动连线。Autowire on move：选中该项，移动元器件时，连接线可以自动保直 /水平走线，否则，移动元器件时，其边接线可能出现斜线。

Bin选项卡

Component Bin选项卡有两个选项组。 Symbol standard选项组用来选择元器件的符号标准，有两种符号标准可以选择：ANSL美国标准元件符号和 DIN欧洲标准元件符号； Place component mode选项组选择元器件的操作模式，元器件的操作模式有以下 3种。 Place single component：选中该选项时，从库里取出元器件，只能放置 1次。 Continuous placement for multi-section part only(Esc to quit)：该选项被选中时，表明一个封装里有多个元器件，如一个 74000有 4个双输入与非门，可以连续置入元器件，按Esc键退出该项操作。 Continuous placement(Esc to quit)：该选项被选中时，从库里取出元器件，可以连续放置，按 Esc键退出该项操作。

(4) Component

(5) Front选项卡

Front选项卡可以选择字体，选择字体的应用项以及应用范围等选项组。

① Front选项组下可以选择 Front(字体 )、 Front Style(字形 )和 Size(字号 )。

② Sample选项组下显示设定的字体。 ③ Apply to选项组选择字体的应用范围，有两种选择：

Entire circuit和 Selection，前者应用于整个电路图，后者应用于选取的项目。

④ Change All选项组选择字体应用的项目，项目选择如下。

Component reference ID：选择的字体应用于元器件序号。Component values and lab：选择的字体应用于元器件数值和标识。Component attributes：选择的字体应用于元器件属性。Pin names：选择的字体应用于引脚名。Node names：选择的字体应用于节点名。Schematio text：选择的字体应用于电路图中的文字。

(6) Miscellaneous选项卡

Miscellaneou选项卡控制文件备份方式等。其中Auto-backup选择自动备份的时间； Circuit Default Path选择电路存盘的路径； Digital Simulation Setting选择数字仿真的两种状态： Idea理想仿真和 Real真实状态仿真，前者可以获得较高的仿真速度，后者可以获得更为精确的仿真结果。

(7) Rule Check选项卡 Rule Check选项卡用来完成 ERC(电路规则检查 )功能，创建和显示详细的检测报告，报告给出电路连接错误，如电源与输出引脚直接连接错误、未连接引脚错误和重复 ID错误等。

(8) PCB选项卡

PCB选项卡选择与制作电路板相关的命令，如接地选择、印制板层数选择等。

Ground Option为接地选择，如果选中 Connect digital ground to analog ground，则表明数字地与模拟地相连。

Export settings输出设置， Rename nodes为节点重新命名， Rename components为元器件重新命名。

Number of copper layers设置印制板的层数。

(9) Default对话框

　　　　　　　　图 10-9所示 Preference命令对话框的左下角有两个按钮。 Set as Default按钮将当前设置存为用户的默认设置，影响新建电路图； Restore Default按钮将当前设置恢复为用户的默认设置。 OK按钮不影响用户的默认设置，只影响当前电路图的设置。

4. 导线

(1) 导线的连接

鼠标指向一个元器件端点，使其出现一个小圆点，按住鼠标左键并移动，会出现一根导线，将鼠标移到另一个元器件端点，使其出现小圆点，释放鼠标，则两个元器件之间用导线连接完成。导线自动选择合适的走向，不会与其他元器件出现交叉。

(2) 导线的删除

用鼠标点击准备删除的导线，导线被选中后，在导线的两端会出现小方块，按 Delete键，选中的导线将会被删除。出现小方块后，用鼠标指向导线时将出现双箭头，此时按住鼠标左键拖动，可以修改导线。

(3) 导线的颜色

　　　　　　　根据需要可以将导线设置成不同的颜色。用鼠标指向导线，单击鼠标右键，在出现的菜单中选择 Color，选择合适的颜色。

(4) 导线的连接点

　　　　　　　在 Place菜单下选择 Junction命令，可以放置连接点，可以将连接点直接插入导线中。连接点是小圆点，连接点最多可以连接来自 4 　个不同方向的导线

(5) 在导线中间插入元器件

　　　　　　　　我们可以非常方便地实现在导线中间插入元器件。选中元器件，用鼠标将其拖至导线上，释放鼠标即可。

选择 Place/HB/SB Connecter命令，屏幕上会出现输入 /输出符号“ ” ，将该符号与电路的输入 /输出信号端进行连接。子电路的输入 /输出端必须有输入 /输出符号，否则无法与外电路进行连接。

5. 输入 /输出

6. 仪器仪表使用方法

单击右边所需仪器仪表的图标，把它放到电路工作区，这时在电路工作区会出出一个万用表图标，双击它便会弹出仪器仪表的控制面板，单击控制面板上的 Set按钮将会打开仪器仪表的参数设置窗口。

(1) 万用表的使用

图 10-10 万用表图标、面板和参数设置

　　　　　　　如图 10-10所示，在万用表控制面板上可以选择电压值、电流值、电阻以及分贝值。参数设置窗口，可以设置万用表的一些参数。

(2) 函数信号发生器

图 10-11 函数信号发生器图标和面板

如图 10-11所示，在函数信号发生器中可以选择正弦波、三角波和矩形波三种波形，频率可在 1～ 999范围内调整。信号的幅值、占空比、偏移量也可以根据需要进行调节。偏移量指的是交流信号中直流电平的偏移。

(3) 瓦特表

图 10-12 瓦特表图标和面板

该仪表用来测量电路的交直流功率，注意电压端应与测量电路并联，电流端应与测量电路串联，其面板如图 10-12所示。

(4) 双通道示波器

图 10-10 双通道示波器图标和面板

其操作方法与实际示波器基本相同，在示波器面板上，可以直接点击示波器各功能项进行参数选择，如图 10-10所示。

(5) 四通道示波器

图 10-14 四通道示波器图标和面板

其使用方法与双通道示波器完全一样，只是多了一个通道控制按钮，  图 10-14所示。

(6) 波特图示仪

图 10-15 波特图示仪图标和面板

利用波特图示仪可以方便地测量和显示电路的频率响应，如图 10-15所示。要注意的是在电路的输入端要接交流信号。

图 10-16 波特图示仪示例

图 10-16是用波特图示仪对由运放构成的低通滤波器的 测试结果，从图中可以得知该滤波器的幅频特性和相频特性。

(7) 频率计

图 10-17 频率计及使用

主要用来测量信号的频率、同期、相位、脉冲信号的上升沿和下降沿。面板、图标如图 10-17所示。

(8) IV分析仪

图 10-18 IV分析仪及其使用

IV分析仪用来分析晶体管的伏安特性曲线，如二极管、 NPN管、 PNP管、 NMOS管和 PMOS管等器件。 IV分析仪相当于实验室的晶体管图示仪，需要将晶体管与连接电路完全断开，才能进行 IV分析仪的连接和测试，如图 10-18所示。

10.1.2 Multisim 7电路仿真分析

1. 仿真实验法

应用Multisim 7进行仿真的基本步骤如下。

(1) 启动Multisim 7

双击Multisim 7图标进入Multisim 7主窗口。

(2) 创建实验电路

连接好电路和仪器，并保存电路文件。

(3) 仿真实验

　　①　　设置仪器仪表的参数。

　　　　　②　　运行电路：单击主窗口的启动开关 O/I按钮，电路开始仿真，若再单击此按钮，则仿真实验结束。若要使实验暂停，可单击主窗口的暂停键，在开关旁边再单击就可重新恢复电路运行。

　　　　③　　观测记录实验结果。实验结果也可存储或打印输出，并可用 word的剪贴板输出。

2. 电路分析法

Multisim 7提供了直流工作点分析，交流频率分析，瞬态分析，失真分析，参数扫描分析和温度扫描分析等共十多种电路分析功能。

Multisim 7的仿真分析工具很多，可以对电路进行直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、失真分析、噪声分析和直流扫描分析，我们这里只介绍两种常用的分析工具，直流工作点分析和交流分析，对于其他的分析，其使用方法差不多，大家只要明白功能对话框中各参数的意思就可以了，也可查阅其他一些书籍对其进行了解。

10.2 Multisim 7基本分析方法10.2.1 直流工作点分析　　　　　　　直流工作点分析是将电路中的电容开路，电感短路，计算电路的直流工作点，给电路设置一个直流工作点至关重要，它是保证电路正常放大的前提条件。

1. 构建电路　　　　　　　首先在工作区创建一个电路，如图 10-19所示。

图 10-19 分压式共发射极放大电路

2. 启动直流工作点分析工具

(1) 启动直流工作点分析对话框，方法是执行菜单命 令 Simulate | Analyses | DC Operating Point，则会出现如图

10.20所示的对话框。

图 10-20 直流工作点分析对话框

(2) 设置直流工作点对话框。

直流工作点分析对话框包括 Output variables(输出变量 )、Miscellaneous Options(各种性质选项 )和Summary(概要 )三个选项卡， Output variables选项卡用于选定需要分析的节点，页面左侧 Variables in circuit栏内列出电路中各节点变量和流过电源的电流变量；页面右侧 Selected variables for栏用于存放需要分析的节点。在左侧 Variables in circuit中选择需要分析的变量单击 Add加到 Selected variables for栏中，然后单击 Remove按钮，该变量将会回到左侧 Variables in circuit栏中，如图 10-20所示。

图 10-21 Miscellaneous Options选项卡

Miscellaneous Options(各种性质选项 )选项卡如图 10-21所示，主要来分析其对应的选项功能。 Summary选项卡如图 10-22所示，经过上面设置后，单击 Apply(应用 )，设置就会保存下来，如果单击 Cancel(取消 )设置就会被取消，如果单击 Simulate(仿真 )按钮，则启动直流工作点分析。

图 10-22 Summary选项卡

3. 检查分析结果

图 10-23 直流工作点的测试结果

　　　　　　直流工作点的测试结果如图 10-23所示。通过显示的数值就可以确定 Q点是否合适，如果不合适，可以调整电路参数，再次运行直流工作点分析，直到合适为止。通过这种方法，可

　以观察电路中的某个元件参数的改变对电路直流工作点的影响

10.2.2 交流分析

　　　　　　　交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析，它用于计算电路的幅频特性和相频特性，是一种线性分析方法。Multisim 7在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线元件做线性处理，得到线性化的交流小信号等效电路，然后使电路中的交流信号源的频率在一定范围内变化，相当于一个扫频信号源，并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。在进行交流分析时，电路工作区中自行设置的输入信号被忽略。也就是说，无论给电路的信号源设置的是三角波还是矩形波，在进行交流分析时，都将自动设置为正弦波信号，并分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲线。

1. 构建电路

　　　　　　　这里我们仍采用单管放大电路作为实验电路，如图 10-19所示。这时电路的直流工作点的分析结果在上节中分析可以得知。

2. 启动交流分析工具

(1) 启动直流工作点分析对话框，方法是执行菜单命令 Simulate | Analyses | Ac Analysis，则会出现如图10-24所示的对话框。

图 10-24 交流分析对话框

(2) 交流对话框包括频率参数 (Frequency Parameters)、输出变量 (Output variables)、其他各种性能选项 (Miscellaneous Options)和概要 (Summary)四个页面。选择各个页面调整合适的各项参数，运行仿真开关 Simulate，屏幕就会显示 AC Analysis窗

　口，同时绘出交流分析曲线。

3. 检查分析结果

图 10-25 交流分析测试曲线

　　　　　　　交流分析测试曲线如果 10-25所示。通过测试结果得到的幅频和相频曲线，就可得到该放大电路能正常放大的频率范围，可以近似得到该放大电路的放大倍数和上、下限截止频率及通频带。

10.3 常用模拟电路分析举例 Multisim 7可以用来分析典型电路，像大家在电路基础中所学的电路，也可用来分析模拟电路和数字电路，使用该工具对各种电路分析非常方便，我们在这一节中主要介绍其在模拟电路中分析的方法。

10.3.1 单 管共发射极放大电路

1. 分析要求

(1) 建立单管共发射极放大电路，电路如图 10-26所示。

图 10-26 固定偏流共发射极放大电路

(2) 分析共发射极放大电路的静态工作点。

(3) 分析共发射极放大电路的放大倍数。

(4) 分析共发射极放大电路的频率特性。

1. 分析要求

(1) 建立单管共发射极放大电路，电路如图 10-26所示。

(1) 直流工作点仿真分析结果如图 10-27所示。

图 10-27 直流工作点分析结果

(2) 示波器显示的共发射极放大电路输入、输出波形如图10-28所示。

图 10-28 共发射极放大电路的输入、输出波形

(3) 波特图示仪显示的波特图如图 10-29所示。

图 10-29 共发射极放大电路的幅频特性

(4) 出现的截止失真和饱和失真如图 10-30所示。

图 10-30 电路出现的失真

10.3.2 整流电路

1. 分析要求

(1) 分析半波整流电路的性能。

(2) 分析全波整流电路的性能。

2. Multisim 7操作步骤

(1) 建立如图 10-31所示的二极管半波整流电路。 图 10-31 二极管半波整流电路

(2) 打开仿真开关，用示波器观察二极管半波整流电路的输入、输出波形，如图 10-32所示。

图 10-32 二极管半波整流输入、输出波形

(3) 对半波整流输出信号进行傅立叶级数分析，得到其频谱，如图 10-33所示，从图中可以读出其直流成分和各次谐波成分的数值。

图 10-33 二极管半波输出信号的频谱直流值为 10.6246A，一次谐波幅度为 21.495V，二次谐波为9.29891V。

(4) 建立如图 10-34所示的全波整流电路，观察二极管全波整流电路的输入、输出波形，如图 10-35所示。

图 10-34 桥式全波整流电路

(5) 对全波整流输出信号进行傅立叶级数分析，得到其频谱，如图 10-36所示，从图中同样读出其直流成分和各次谐波成分的数值。

图 10-35 二极管桥式整流输入、输出信号的波形

图 10-36 桥式全波整流电路的输出信号的频谱

　　　　　　　输出信号的直流值为 10.338V，并且大家可以看到它的奇次谐波数值很小，几乎为零。偶次谐波的数值可以从傅立叶级数分析结果中得到。

这一节通过一个实例来介绍Multisim 7在模拟电路设计方面的应用，在电路设计过程中，若能充分利用Multisim 7提供的各种虚拟仪器和仿真分析方法，可以大大缩短设计时间并降低设计难度。

1. 设计要求

设计一个分压式偏置共发射极放大电路，晶体管的型号任选，直流电压为 12V，负载电阻 RL=2.7kΩ。要求电路输入电阻大于 50kΩ，当输入信号小于等于 10mA时，输出信号失真度小于 20dB，中频电压放大倍数为 50，并测量该电路的上下限截止频率。

10.4 典型电路设计与测试

2. 设计步骤

(1) 根据要求建立电路，如图 10-37所示。

图 10-37 分压式偏置放大电路

(2) 选择合适的元器件参数，设置一个合适的静态工作点。

　　　　　　　我们不妨设基极电位为 4V，这样就可以确定 R1， R2的关系，其取值如图所示，接着设置 UCE，取 UCE=6V左右，不妨取集电极电流 IC=1mA左右，这样可确定 R4， R5的数值，选择合适的电容，建立电路，接着就对电路进仿真分析。

　　　　　　　　仿真项里的分析工具 DC Operating Point Analysis可检查设置的静态工作点是否合适。在仿真项里，还有很多分析工具，像参数扫描工具，在电路设计中很有用，在这里就不多作

　介绍了。

(3) 用仿真工具分析设置的电路是否达到指标。

　　　　　　　用示波器观察输出信号的波形，用波特图示仪测试其电压放大倍数，用失真度测试仪测试失真度。其结果如图 10-38、图 10-39和图 10-40所示。

图 10-38 所设计电路的输入、输出波形

图 10-39 波特图测得的幅频特性

图 10-40 失真仪观察输出信号失真度