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1 引 言
Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的電子線路仿真軟件EWB(Electronics Workbench，虛擬電子工作平臺)的升級版。Multisim為用戶提供了一個集成一體化的設計實驗環(huán)境。利用Multisim，建立電路、仿真分析和結果輸出在一個集成菜單中可以全部完成。其仿真手段切合實際，元器件和儀器與實際情況非常接近。Multisim元件庫中不僅有數(shù)千種電路元器件可供選用，而且與目前較常用的電路分析軟件PSpice提供的元器件完全兼容。Multisim提供了豐富的分析功能，其中包括電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、時域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析和離散傅里葉分析等多種工具。本文以Multisim為工作平臺；深入分析了二階低通濾波器電路。利用Multisim可以實現(xiàn)從原理圖到PCB布線工具包(如Electronics Workbench的Ultiboard)的無縫隙數(shù)據(jù)傳輸，且界面直觀，操作方便。
2 電路設計
由于一階低通濾波器的幅頻特性下降速率只有-20 dB／10 f，與理想情況相差太大，其濾波效果不佳。為了加快下降速率，使其更接近理想狀態(tài)，提高濾波效果，我們經(jīng)常使用二階RC有源濾波器。采取的改進措施是在一階的基礎上再增加一節(jié)RC網(wǎng)絡。
電路結構如圖1所示，此電路上半部分是一個同相比例放大電路，由兩個電阻R1，Rf和一個理想運算放大器構成。R1與Rf均為16 kΩ。下半部分是一個二階RC濾波電路，由兩個電阻R2，R3及兩個電容C1，C2構成。其中R2，R3均為4 kΩ，C1，C2均為0.1μF。電路由一個幅度為1 mV，頻率可調(diào)的交流電壓源提供輸入信號，用一個阻值為1 kΩ的電阻作為負載。
3 理論分析
3.1 頻率特性
二階低通濾波器電路的頻率特性為：
低頻下，兩個電容相當于開路，此電路為同相比例器。
4.1 虛擬示波器分析
在Multisim軟件的虛擬儀器欄中選擇虛擬雙蹤示波器，將示波器的A、B端分別連接到電路的輸入端與輸出端(即圖1中的1、3節(jié)點)，再點擊仿真按鈕進行仿真，得到如下波形。
圖2為輸入信號頻率為1 kHz，幅度為1 mV時二階低通濾波器電路的輸入輸出情況。圖中橫坐標為時間，縱坐標為電壓幅度。我們選擇示波器掃描頻率為1 ms／div。縱軸每格均代表1 mV，輸出方式為Y／T方式。幅度大的為輸入信號，幅度小的為輸出信號。
調(diào)節(jié)輸入頻率，使之分別為800 Hz，600 Hz，400 Hz，300 Hz，200 Hz，150 Hz，1 Hz。由虛擬示波器得到輸入頻率為1 Hz時的輸出電壓Uo1=2 mV，即AUP=2，與理論計算值相吻合。而輸入頻率為150 Hz時Uo2=1.5 mV。此時Uo2最接近截止時的輸出電壓UP=0.707Uo1=1.414 mV。這說明截止頻率fP接近150 Hz。
我們發(fā)現(xiàn)，僅通過虛擬示波器分析，既很難得出fP的準確值，也不能直觀看出輸入信號的頻率對電路放大性能的影響，于是用Multisim中的交流分析來精確觀察電路的輸入輸出特性。
4.2 交流分析(AC Analysis)
停止Multisim仿真分析(Multisim仿真分析與交流分析不能同時進行)，在主菜單欄中simulate項中選擇Analysis中的AC Analysis。參數(shù)設置如下：起始頻率為1 Hz，終止頻率為10 MHz，掃描方式使用十進制，縱坐標以dB為刻度，在Output variables中選擇輸出節(jié)點(即圖1中節(jié)點3)，然后點擊simulate進行仿真分析，得到電路的幅頻特性曲線如圖3所示。
從特性曲線可以看出，在低頻狀態(tài)下頻率變化對AUP的影響不大，頻率較大時AUP隨頻率增加而急劇減小。高頻狀態(tài)下輸出電壓則接近于0。從對話框中可知縱坐標最大值為6.020 4 dB，即AUP=2，與理論計算值相符。
4.2.2 通頻帶截止頻率fP的測量
fP為縱坐標從最大值(6.020 4 dB)下降3 dB時所對應的頻率，即縱坐標為3.020 4 dB所對應的頻率。將圖3中右側標尺移至3.020 4 dB附近，選其局部進行放大；再將該標尺精確移至縱坐標為3.020 4 dB處，得到的橫坐標為148.495 2 Hz，即fP=148.495 2 Hz。這與理論計算得到的基本一致。
4.3 參數(shù)掃描分析(parameter sweep)
當某元件的參數(shù)變化時，利用Multisim中的參數(shù)掃描分析功能可以得到電路輸入輸出特性的變化情況。
在主菜單欄中simulate項中選擇Analysis中的parameter sweep。參數(shù)設置如下(以分析C1為例)：設備項中選擇電容設備，元件名選擇C1，參數(shù)選擇電容量，電容量使用le-006F，le-007F，le-008F三個值。點擊more選項，選擇AC Analysis(交流分析)，再選擇節(jié)點3作為輸出節(jié)點。點擊simulate進行仿真，得到C1取上述三個不同值時電路的幅頻特性曲線(如圖4所示)。
Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司近年推出的電子線路仿真軟件EWB(Electronics Workbench，虛擬電子工作平臺)的升級版。Multisim為用戶提供了一個集成一體化的設計實驗環(huán)境。利用Multisim，建立電路、仿真分析和結果輸出在一個集成菜單中可以全部完成。其仿真手段切合實際，元器件和儀器與實際情況非常接近。Multisim元件庫中不僅有數(shù)千種電路元器件可供選用，而且與目前較常用的電路分析軟件PSpice提供的元器件完全兼容。Multisim提供了豐富的分析功能，其中包括電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、時域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析和離散傅里葉分析等多種工具。本文以Multisim為工作平臺；深入分析了二階低通濾波器電路。利用Multisim可以實現(xiàn)從原理圖到PCB布線工具包(如Electronics Workbench的Ultiboard)的無縫隙數(shù)據(jù)傳輸，且界面直觀，操作方便。
2 電路設計
由于一階低通濾波器的幅頻特性下降速率只有-20 dB／10 f，與理想情況相差太大，其濾波效果不佳。為了加快下降速率，使其更接近理想狀態(tài)，提高濾波效果，我們經(jīng)常使用二階RC有源濾波器。采取的改進措施是在一階的基礎上再增加一節(jié)RC網(wǎng)絡。
電路結構如圖1所示，此電路上半部分是一個同相比例放大電路，由兩個電阻R1，Rf和一個理想運算放大器構成。R1與Rf均為16 kΩ。下半部分是一個二階RC濾波電路，由兩個電阻R2，R3及兩個電容C1，C2構成。其中R2，R3均為4 kΩ，C1，C2均為0.1μF。電路由一個幅度為1 mV，頻率可調(diào)的交流電壓源提供輸入信號，用一個阻值為1 kΩ的電阻作為負載。
3 理論分析
3.1 頻率特性
二階低通濾波器電路的頻率特性為：
低頻下，兩個電容相當于開路，此電路為同相比例器。
4.1 虛擬示波器分析
在Multisim軟件的虛擬儀器欄中選擇虛擬雙蹤示波器，將示波器的A、B端分別連接到電路的輸入端與輸出端(即圖1中的1、3節(jié)點)，再點擊仿真按鈕進行仿真，得到如下波形。
圖2為輸入信號頻率為1 kHz，幅度為1 mV時二階低通濾波器電路的輸入輸出情況。圖中橫坐標為時間，縱坐標為電壓幅度。我們選擇示波器掃描頻率為1 ms／div。縱軸每格均代表1 mV，輸出方式為Y／T方式。幅度大的為輸入信號，幅度小的為輸出信號。
調(diào)節(jié)輸入頻率，使之分別為800 Hz，600 Hz，400 Hz，300 Hz，200 Hz，150 Hz，1 Hz。由虛擬示波器得到輸入頻率為1 Hz時的輸出電壓Uo1=2 mV，即AUP=2，與理論計算值相吻合。而輸入頻率為150 Hz時Uo2=1.5 mV。此時Uo2最接近截止時的輸出電壓UP=0.707Uo1=1.414 mV。這說明截止頻率fP接近150 Hz。
我們發(fā)現(xiàn)，僅通過虛擬示波器分析，既很難得出fP的準確值，也不能直觀看出輸入信號的頻率對電路放大性能的影響，于是用Multisim中的交流分析來精確觀察電路的輸入輸出特性。
4.2 交流分析(AC Analysis)
停止Multisim仿真分析(Multisim仿真分析與交流分析不能同時進行)，在主菜單欄中simulate項中選擇Analysis中的AC Analysis。參數(shù)設置如下：起始頻率為1 Hz，終止頻率為10 MHz，掃描方式使用十進制，縱坐標以dB為刻度，在Output variables中選擇輸出節(jié)點(即圖1中節(jié)點3)，然后點擊simulate進行仿真分析，得到電路的幅頻特性曲線如圖3所示。
從特性曲線可以看出，在低頻狀態(tài)下頻率變化對AUP的影響不大，頻率較大時AUP隨頻率增加而急劇減小。高頻狀態(tài)下輸出電壓則接近于0。從對話框中可知縱坐標最大值為6.020 4 dB，即AUP=2，與理論計算值相符。
4.2.2 通頻帶截止頻率fP的測量
fP為縱坐標從最大值(6.020 4 dB)下降3 dB時所對應的頻率，即縱坐標為3.020 4 dB所對應的頻率。將圖3中右側標尺移至3.020 4 dB附近，選其局部進行放大；再將該標尺精確移至縱坐標為3.020 4 dB處，得到的橫坐標為148.495 2 Hz，即fP=148.495 2 Hz。這與理論計算得到的基本一致。
4.3 參數(shù)掃描分析(parameter sweep)
當某元件的參數(shù)變化時，利用Multisim中的參數(shù)掃描分析功能可以得到電路輸入輸出特性的變化情況。
在主菜單欄中simulate項中選擇Analysis中的parameter sweep。參數(shù)設置如下(以分析C1為例)：設備項中選擇電容設備，元件名選擇C1，參數(shù)選擇電容量，電容量使用le-006F，le-007F，le-008F三個值。點擊more選項，選擇AC Analysis(交流分析)，再選擇節(jié)點3作為輸出節(jié)點。點擊simulate進行仿真，得到C1取上述三個不同值時電路的幅頻特性曲線(如圖4所示)。
圖4中，三條曲線由下至上對應的電容分別為le-006F、le-007F、le-008F，對應的截止頻率分別為35.550 Hz，148.493 7 Hz，193.375 6 Hz。很顯然，C1減小引起電路的截止頻率增大，通頻帶變寬。而C1的變化對電壓增益基本無影響。
采用類似方法，我們得到C2，R1，R2，R3和Rf對電路性能的影響如下：C2，R2和R3的變小均會引起電路的截止頻率增大和通頻帶變寬。而C2，R2和R3的變化對電壓增益的影響不大。R1與輸出電壓幅度成反比，Rf與輸出電壓幅度成正比，但R1和Rf的變化不影響電路的頻率特性。
5 結語
由以上分析可知，Multisim中的仿真分析結果與理論計算結果十分接近。Multisim既是一個專門用于電子電路設計與仿真的軟件，又是一個非常優(yōu)秀的電子技術教學工具。Multisim應用于課堂教學，豐富了電子技術多媒體輔助教學的內(nèi)容，是教育技術發(fā)展的一個飛躍。Multisim以其具有的開發(fā)性、靈活性、豐富性、生動性、實時交互性和高效性等功能特征，極大地豐富了電子電路的教學方法，拓展了教學內(nèi)容的廣度和深度，為提高電子技術教學質量提供了又一個有效手段。
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