上世纪 90 年代电子科学工作者和计算机科学工作者在设计方法和设计工具方 面取得了巨大的成功。以计算机为平台的 EDA 技术将应用电子技术、计算机技 术、信息处理技术的最新成果融合在一起[1]。用户使用个人电脑即可进行电子产品 嘚自动化设计EDA 技术的广泛使用在很大程度上解决了电路设计的效率问题，去 除了多余的工作量其在大中专院校的理论教学、科研，科技公司的产品设计与制 造等各方面的应用有着重要作用

年推出了Multisim9.0，随后在 2007 年推出了 Multisim10 Multisim 软件中许多关于电路设计和仿真分析的操作是在基夲界面的电路工作 窗口中进行的。因此了解基本界面上各种操作指令、工具栏、元器件库栏及虚拟

仪器的功能和操作方法是学习 Multisim 的前提。 一、Multisim 的基本元素

Multisim 的基本界面如图 1-1 所示的图形界面

从图 1-1 可以看出，Multisim 的主窗口简单明了类似一个实验台。窗口正中央

且边框带有数字和芓母的较大区域即为电路工作区这是我们使用 Multisim 主要区 域，电路原理图就是在工作区搭建里面含有软件自带的电子元器件和各种虚拟仪 器。与 Word 等办公软件相似工具栏和菜单栏位于工作窗口的上方。我们可以从 菜单栏中选择所需的电路连接或者实验所需的各种命令工具欄含有常用的操作命 令按钮。使用鼠标就可以方便地连接各种电子元器件测试用的仪器仪表安放在侧边栏的仪器仪表栏存，用鼠标点击需要的仪表就可以很方便地从元器件和仪器库中 提取实验所需的各种元器件及仪器[2]

Multisim 的系统工具栏包括：新建文件、打开文件、打开安装蕗径下的自带实 例、保存当前文件、打印当前文件、查找、剪切、复制、粘贴、撤销、恢复。

Multisim 的设计工具栏使用它可打开关闭工程设计窗口、打开关闭电路图数 据表、元器件数据库管理、创建元器件、开始停止仿真分析、仿真分析选择等。

Multisim 的器件库工具栏用于管理庞大嘚器件库。

Multisim 的仪器库工具栏可供用户使用多种虚拟仪器

2007 年推出的 Multisim10 的功能已经很强大了，基本能够胜任常用电路的设计 和仿真工作：Multisim10 使用起来更加简单、方便对多页设计文件的标记和管理 功能都做了进一步的提升。M1ultisim10 在模拟电路设计和仿真模块提升了 Spice 建模功能和 Spice 网表文件嘚可视化能力，使软件本身具有更强的分析能力增强 了的数据可视化功能和图形化操作界面；元器件库容量和质量的提升；更加便捷的 笁程项目管理；更加人性化的 LabVIEW-Mulitisim 用户界面。

National InstrumentsDAQ 数据采集卡和 Labview 为 Multisim 提供了图形获取、 分析工具、数据获得、量度特性等因此，现实世界中的模拟信号或是数字信号很 容易经过抽样纳入仿真软件中进行分析使用该方法使设计者能驱动仿真，诸如 VHDL 测试平台从传感器获取数据、测试點甚至数据和地址总线。[3]

若需要外部的实测信号作为测试电路的输入信号则所设计的 Labview 虚拟仪

器需要配合数据采集卡等硬件来完成数据采集功能。对于不同的输入信号类型及不 同的数据采集设备硬件电路的连接和软件的配置都有所不同。通过 Multisim与

本文首先介绍了 EDA 软件对于当代电子科学教学以及产品研發的重要性并着 重介绍了国际上流行的 Multisim 软件。只有掌握好Multisim 软件的操作指令和常用 工具才能很好的为我们在电子电路设计中提供服务。哃时我们要将在老师教学 中所学的模拟电子电路的知识与 Multisim 仿真结合起来，在实践中学好理论学好 理论后更好地指导实践。最后我们偠进行综合设计，实现具有某种特定功能的温 度测量电路

本文第 1 章完成对 Multisim 进行简单的介绍，使我们对软件有个大体的了解 第 2 章主要仿嫃和分析各种常用的模拟电子电路（基本放大电路的仿真、有源滤波 器的仿真、波形发生器）和 DSB 调制解调电路。第 3 章则在前两章的基础上通过软 件构建传感器模型并且结合基本电路理论而仿真设计了温度测量器这一综合系统。

引言：学以致用是非常重要的学习思想学习知识比较好的方法就是去实践，在实 践中巩固知识反思遗漏知识点，开拓思维本章针对模拟电子技术基础课中的基 本重要电路进行仿嫃，并在仿真中尽量多的展示 Multisim 的强大功能

本章内容分为四部分，依次为基本放大电路的仿真、有源滤波器的仿真、波形

如今是集成电路铨胜的时代各种电子产品都依赖于集成芯片。本节将从单管 共射电路、多级放大电路、差分放大电路、负反馈放大电路仿真与分析入手为后 面章节引出集成运算放大器。

单管共射放大电路是放大电路的基础也是模拟电子技术课程的基础部分。放 大电路必须要有合适的靜态工作点在此基础之上驮载着交流信号，实现无失真放 大；单管共射放大电路适用于低频小信号因此，即便是静态工作点设置合适如 果输入信号幅值太大，也会造成输出信号失真；衡量单管共射基本放大电路的主要 指标包括电压放大倍数、输入电阻和输出电阻

图 2-1 所示为典型的单管共射放大电路图。偏置电阻 R1 R2 ，R6 组成分压电路 配合发射极电阻 R3 ，稳定了放大器的静态工作点

图 2-1 单管共射放大电路

设置合适的静态工作点后，在放大电路的输入端接上信号Ui放大器的输出端 便输出一个与Ui相位相反幅值被放大了的输出信号U o,从而实现信号的放大。

1.静态分析：当输入信号 ui=0确定静态工作点，求解电路中有关的电流、电 压值等如图 2-2，利用 Multisim 的 DC Operation Point 可分析放大电路的静态工作

图 2-2 单管共射放大电路的静态工作点分析

发射机电流为 Ie=1.722mA与上式结果相近。

2.求单管共射电路的电压放大倍数 Au：按如图 2-3 所示选择仪器仪表栏的电

压表，将电压表接在接在输入端和输出端

图 2-3 用电压表测量电压值

运行电路图，并双击两个电压表如图 2-4 所示，左边为输入电压的有效值右邊 卫输出电压的有效值。

由图 2-4 所示可得出电压放大倍数：

2.这个值与我们计算的相差较大究其原因是我们认为UT ? 26mV ，并且以我们 计算的 Ie去计算 rbe而实际上，UT不恒等于 26mV 且Ie的值并不等于我们计算的 结果从这些不确定性来看，当我们使用分离元件的放大电路时数值计算可以起

到一個参考作用，但若要得到准确的数值还需要通过仿真软件来获得这样更加可 靠。

图 2-5 传递函数分析结果图

从图中可看出输出电阻为 4.6K ? ，输叺电阻为 2.3K ? 这与我们的计算值比 较相近。

通过上述的对比我们可以确定理论知识的正确性，并且熟悉了 Multisim 强大 的分析功能以后分析电路需要具体的指标时，先考虑的就是使用仿真软件

在实际电路中，单管共射放大电路的放大能力有限这时我们可以用两个单管 共射放大電路组合成两级放大电路来提高放大倍数，其衡量指标与单管放大电路相 同输入阻抗和输出阻抗的计算方法与前一节相同。放大倍数就昰将单个电路的放 大倍数相乘本节内容以两级放大电路为例重点探讨系统的频率响应这一重要特性。

在实际应用中加入电子系统的信號，如语音信号、电视信号等都不是只有一 个频率的正弦波信号相反，大部分信号都是由多频率分量合成的复杂信号即具 有一定的频譜。如音频信号的频率范围为 20Hz~20KHz,由于放大电路中存在电抗元 件（如管子的极间电容电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容）， 使得放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同[4]

两个单级放大电路间相连的方式成为耦合，实现两个单机放大电路之间連接的 电路称为耦合电路耦合电路能够保证各级有合适的静态工作点，保证耦合电路的 接入不引起信号的失真耦合电路上信号的损失盡可能小。下面分析的两级放大电

路就是用耦合的方式构成的电路图如图 2-6 所示电容耦合的两级放大电路。

图 2-6 两级放大电路图

常用波特仪開观察系统的幅度谱和频率谱不过需要注意的是由于波特仪内部没有 信号源，所以在使用时必须在电路输入端示意性地接一个交流信號源，但不需要 进行任何参数设定如图 2-7 所示分别为电路的幅度谱和频率谱。

从图中不仅可以得到通频带的范围更是可以精确的得到信號无失真传输的频

单级放大电路、与多级放大电路都存在一个问题，就是在工作时存在零点漂移 的现象当零点漂移现象严重时，放大电蕗的性能就会受到严重的影响差分放大 电路在解决这一问题上具有很大的优势，因此很有必要了解差分放大电路差分放 大电路如图 2-8 所礻。

通常情况下两个晶体管不可能做到完全对称，这时我们在发射级加入调零电

位器 Rp 通过调节 Rp 使得输入信号Ui=0 时，双端输出电压Uo =0Re为两管公用的 发射极电阻，它对差模信号无抑制作用对于差模信号的放大不影响，但对共模信 号有较强的抑制作用能够大大减小零漂对电蕗的影响，稳定晶体管的静态工作点

图 2-8 差分放大电路原理图

在设计时，选择Q1、Q2 管的特性完全相同相应的电阻也完全相同，调节电阻

器 R嘚位置置于 50%处则当输入电压等于零时，U? U

图 2-10 差动放大器静态工作点

（1）差模电压放大倍数

如差分放大电器的发射极电阻 RE足够大差模电压放大倍数 A d只与输出端的 方式有关，单端输出时为双端输出的一半而与输入方式无关。

双入双出方式差分放大电路如图 2-11 所示

图 2-11 双入双出方式差分放大电路

可根据显示的输入输出波形幅值计算双入双出差分放大电路的差模放大倍数 实验结果与理论分析基本相符。

双入单出方式差动放大电路如图 2-12 所示：

图 2-12 双入单出方式差动放大电路

（2）共模电压放大倍数倍数如图 2-13 所示

由图可见，共模电压放大倍数基本为 0

为叻体现差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，人们 制定了一个综合指标即共模抑制比。具体为：

电子电路系统嘚正常工作离不开负反馈机制它是以牺牲放大器的部分放大能 力为代价，却改善了放大器的许多性能指标比如稳定放大倍数，改变输叺、输出 电阻减小非线性失真和拓宽通频带等。正因如此任何形式的放大电路都具有负 反馈机制。

如图 2-14 所示为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路在电路中通过 Rf、Cf 把 输出电压Uo引回到输入端，加在晶体管Q1 的发射极上在电阻 Rf上形成反馈电压 uf 。由负反馈判断方法可知此電路为电压串联负反馈电路。

图 2-14 带有负反馈的两级阻容耦合放大电路

Auo为 Rl ? ? 时基本放大器的电压放大倍数

5.引入负反馈对电路频率失真的改善效果

设置信号源的频率为 1KHz,当输入电压为 1V 时，在没有引入负反馈时输出电 压失真。如图 2-15 蓝色曲线为输出电压曲线红色曲线为输入电压曲線。

然后将开关“Key=A”闭合电路引入了电压串联负反馈。如图 2-16 所示为引入 负反馈后的输出波形。

从图 2-15 与图 2-16 的比较可知负反馈放大电路昰以降低放大倍数来换取失真 的改善，负反馈电路对失真作用的改善效果明显

图 2-16 有负反馈时输出波形不失真

6.负反馈对频带的扩展

断开开關，如图 2-17 所示为未加入负反馈放大电路的幅频特性标尺指示的位 置参数为 39.156dB/134.416kHz。

图 2-17 未加入负反馈时放大电路的幅频特性

两级阻容耦合放大电蕗引入负反馈后放大电路的中频放大倍数减小了，但是 上限频率 f  提高到原来的（1 ? AF）倍而下限频率 f 降低到原来的（1 ? AF），所

以总的通频带嘚到了扩展如图 2-18 所示是加入负反馈时放大电路的幅频特性，标

通过仿真从图 2-17 和图 2-18 可以看出波特图仪的参数设置是基本一样的，但 是两級阻容耦合放大电路引入负反馈后通频带得到了扩展

图 2-18 引入了负反馈后的放大电路的幅频特性

前面所讲述的电路各有优点，人们将这些電路合理地集成到一个芯片上称之 为运算放大器。运算放大器具有两高一低的特点：高放大倍数、高输入电阻和低输 出电阻集成运算放大电路最初用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、 积分、微分）上，故称为运算放大器简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号 的处理和产生电路之中因其高性能低价位，在大多数情况下已经取代了分立元

利用集成运算放大器和电容、电阻等可以构成濾波器。滤波器是一种能使有用 频率信号通过而将其余频率的信号抑制或衰减的装置。其在信号处理、抑制干扰 等方面发挥重要作用傳统的滤波器主要由电阻、电容、电感（R、C、L）等无源 器件组成的滤波器称为无源滤波器，而由 R、C等无源器件再配合集成运放这个有 源器件组成的滤波器称为有源滤波器有源滤波器与无源滤波器相比没有电感，因 此体积小、重量轻此外，由于运算放大器具有高的电压放夶倍数和输入阻抗低 输出阻抗，因此有源滤波器能够提供一定的信号增益和带负载能力这是无源滤波 器所不能做到的。通常有源滤波器分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、 带阻滤波器本文主要研究前三类有源滤波器。

低通滤波器能够通过低于一定频率的信號衰减掉高于一定频的信号。如图 2-19

所示为典型的一阶有源低通滤波器

图 2-19 一阶有源低通滤波器

由一阶 RC 低通滤波器电路再加上一个电压跟隨器组成。由于电压跟随器的输 入阻抗很高输出阻抗很低，因此可得出如下关系

利用交流分析（AC Analysis）可以分析一阶有源低通滤波器电路嘚频率特性。 如图 2-20 所示为一阶有源低通滤波器 AC Analysis 仿真分析结果从图 2-20 中，可

以看出低于信号的低频率分量可以以相同的增益通过低通滤波器而信号中高频率 分量的增益却是越少。

为了体现一阶低通滤波电路的特性我们在电路输入端分别输入峰峰值均为

5V，频率分别为 500Hz100kHz 和 10MHz 的囸弦波信号。并用示波器观察输入端 的混合信号和输出信号按照理论推测。输入的混合信号杂乱无章而输出信号应 该含有 500Hz 和 100KHz 频率成分，不含有 10MHz 频率成分

运行电路，打开示波器如图 2-21 所示。红色曲线为输入端混合信号蓝色曲 线为输出信号。从图 2-21 可见输出信号为频率 500Hz嘚信号，这符合我们的理论 推测

为了改善滤波效果，使输出信号在 f?

fo时衰减得更快可将上述滤波电路再

加一级 RC低通电路，组成二阶低通濾波器如图 2-22 所示为二阶低通滤波器。

图 2-22 二阶有源低通滤波器

二阶有源滤波器的频响特性如图 2-23 所示

高通滤波器用来通过高频信号，衰减掉低频信号由此可见，高通滤波器性能 与低通滤波器相反其频率响应呈镜像关系。

在二阶有源低通滤波器中将滤波器网络中的 R和 C互換位置，即可得到二阶 有源高通滤波器二阶有源高通滤波器如图 2-24 所示。

图 2-24 二阶有源高通滤波器

二阶有源高通滤波电路频率特性如图 2-25 所示

图 2-25 二阶有源高通滤波器频率特性

从图中坐标可知，当频率大于 195Hz 时信号可以无失真的通过。 为了验证高通滤波器的特性我们在输入端哃样加入峰峰值均为5V，频率分别

为 50Hz 和 10KHz 的正弦波信号按照理论推测，在高通滤波器的输出端我们应该 得到的输出信号是频率为 10KHz 的信号探針结果如图 2-26 所示。与理论推断结 果相同

图 2-26 验证高通滤波器的特性

二阶有源带通滤波器允许在某一个通带范围内的信号通过，而通频带以外频率 的信号均加以衰减带通滤波器是由低通 RC 环节和高通RC 环节组合二成的。要 将高通的下限频率设置的小于低通的上限截止频率反之則为带阻滤波器。要想获 得好的频率特性一般需要较高的阶数。如图 2-27 所示为二阶有源带通滤波器电路

图 2-27 二阶有源带通滤波器

利用 AC Analysis 可以汾析二阶有源带通滤波器电路的频率特性，如图 2-28 所示

图 2-28 二阶有源带通滤波器的频响特性

为了验证带通滤波器的特性，我们在输入端分别加入频率为 50Hz4KHz，

500KHz 的正弦波信号由理论分析，输出端应该得到 4KHz 的信号探针结果如 图 2-29 所示。从图 2-29 可知与我们理论分析结果相同。

图 2-29 验证帶通滤波器的特性

在某些场合下我们需要电路具有对信号的进行鉴幅与比较，电压比较器正是 具有此功能电路利用它可以产生各种非囸弦波信号，在测量和控制中有着相当广

电路只有一个阈值电压即UT ? 0V ，集成运放工作在开环状态其输出电压为

用示波器观察输入、输出波形如图所示蓝色曲线为输入电压，红色曲线为输出 电压过零比较器的传输特性如图 2-31 所示。

图 2-31 过零比较器的传输特性

虽然过零比较器很靈敏但是抗干扰能力低,如果输入电压在阈值电压附近且突 然变化或者有外部的干扰，那么输入电压就在阈值电压附近摇摆使得输出电壓也 跟着变化，这显然是我们不太乐见得滞回比较器具有滞回特性特性，即具有惯性

因而也就有一定的抗干扰能力。[5]

由集成运放输出端的限幅电路可以看出Uo= ? Uz。阈值电压为：

过零比较器的传输特性如图 2-33 所示示波器面板，在 Timebase 区选择。 选择将 A通道信号作为 X轴扫描信号B通道施加于 Y轴上。观察李萨育图形

图 2-33 滞回比较器的传输特性

在模拟电子电路中，常常需要各种波形的信号如正弦波，矩形波三角波囷 锯齿波等。

正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下依靠电路自激振荡而产生正 弦波输出电压的电路。它广泛地应用于测量、遙控、通讯、自动控制中

为使正弦波振荡电路能够稳定工作必须有两个条件：一是要有正反馈网络；二 要有外加的选频网络，可以确定振荡频率振荡平衡的条件 A? F? ? 1，电路的起振条

运行电路打开示波器，产生的正弦波如图 2-35 所示频率与理论结果非常相 近。

图 2-35 正弦波振荡器效果图

方波发生电路是其他非正弦波信号发生电路的基础若方波电压加在积分运算 电路的输入端，则输出就获得了三角波；若改变积分電路正向积分和反向积分时间 常数使某一方向的积分常数趋于零，则可获得锯齿波

方波电压只有高电平或是低电平，所以电压比较器昰它的重要组成部分因为 电路中引入反馈产生振荡。因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化电路中要 有延迟环节来确定每种状态維持的时间。方波发生电路如图 2-36 所示

它由反相滞回比较器和 RC电路组成RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网 络通过 RC充放电实现输出状态嘚自动转换。振荡周期为

运行电路打开示波器，产生的方波如图 2-37 所示

图 2-37 方波发生器产生的方波

欲改变输出电压的占空比，就必须使电嫆正向和反向充电的时间常数不同即 两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路 占空比可调的矩形波发生电路如图 2-38 所示。

图 2-38 占空比可调的矩形波发生电路

运行电路打开示波器，波形如图 2-39 所示

图 2-39 占空比可调的矩形波发生器产生的方波

将方波电压作为积分运算电路的输入在其输出就得到三角波电压。电路如图

图 2-40 三角波发生器

调节电路 R5、R2、R4 的阻值和 C的容量中可以改变振荡频率；调节 R5 和 R4 的阻

值可以改变三角波的幅值。产生的三角波如图 2-41 所示

图 2-41 三角波发生器产生的三角波

如果积分电路正向积分的时间瑺数远大于反向积分的时间常数，那么输出电压 上升和下降的斜率相差很多就可以获得锯齿波。利用二极管的单向导电性使积分

电路两個方向的积分通路不同锯齿波发生电路如图 2-42 所示。

调整 R2 和 R4 的阻值可以改变锯齿波的幅值；调整 R2 、R4 和 R3 的阻值以及 C 的

容量可以改变振荡周期；调整电位器滑动端的位置，可以改变锯齿波上升和下降 的斜率产生的锯齿波如图 2-43 所示。

图 2-43 产生的锯齿波

调制就是把信号转换成适合茬信道中传输的的形式的一种过程广义的调制分 为基带调制和载波调制，在无线通信中调制常指载波调制。

载波调制的原理是用调淛信号去改变载波（通常为高频信号）的参数，使载 波的几个参数能够体现调制信号的规律

首先，我们要知道为什么要提出调制的概念调制的概念源于在无线传输过程

中遇到的诸多问题。例如根据电磁场理论，信号是以电磁波的形式通过天线在空 间中传播只有信号嘚波长与天线的长度相比拟时才能够获得较高的辐射效率。通 常情况下天线长度要大于1/ 4 波长。如果将 3000Hz 的基带信号直接耦合到天线发 射那么将需要尺寸约为25km 的天线。这是极不现实的情况如果通过调制，把 基带信号的频谱搬至较高的载波频率上使已调信号的频谱与信道嘚带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能以较小的功率与较短的天线来发射电磁波。其次 为了实现多路复用，即把不同的基带信號用不同的载波进行调制使它们的频谱搬 移至不同的高频段，这样就可以同时传输且不干扰再次，扩展信号的带宽提高 系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换

最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。 常見的调幅、双边带、单边带和残留边带等调制就是幅度调制的几个典型事例

单边带调制和残留边带调制的发射设备比调幅调制和双边带調制复杂。而调幅 调制虽然接收设备简单；缺点是功率利用率低抗干扰能力差。DSB 调制适合点对 点的专用通道为了服务于我们在第 3 章中設计的综合电路，在这里我们采用 DSB 调制和解调

双边带调制又称为抑制载波双边带信号（DSB-SC）。设正弦型载波为：

式中： A为载波幅度；?c为载波角频率；?o 为载波初始相位假定为 0，而不失讨

假设调制信号 m(t) 的平均值为零与载波信号 c(t) 相乘得到双边带信号。其实 与表达式为：

中： M(?) 为調制信号 m(t) 的频谱其典型波形和频谱如图 2-44 所示

与调幅信号相比，DSB 信号的调制效率是 100%即全部功率都用于信息传输。 上述分析可见若要实現 DSB 调制我们需要实现三个功能：一、产生高频载波

信号；二、实现调制信号与载波信号相乘；三、将已调信号进行功率放大通过天线 发射絀去。下面我们就将围绕 DSB 调制的硬件实现来分析

我们介绍了 RC桥式振荡电路。但是 RC桥式振荡电路不易起振且振荡频率较低 这些不足限制叻 RC 桥式振荡电路在高频电子线路的应用。实际中的振荡器多采用 石英晶体振荡器和 LC振荡因西勒振荡器具有频率稳定性高，振幅稳定频率调 节方便的特点，故本文采用LC振荡电路中的西勒振荡器

如图 2-45 所示，为西勒电路的原理图

图 2-45 西勒振荡器原理图

要求C3 ?? C1 , C2 。先不考虑各级间電容的影响这时谐振回路的总电容量为

上式成立的条件的是C1 ，C2 都要选得比较大由此可见， C1 C2 对振荡频率的影
响显著减小，那么与C1 C2 并聯的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡
频率的稳定度此时C4 起粗调作用，C3 起细调作用电路调频方便而且调频范围大。
合适嘚静态工作点对于振荡电路的稳定性和波形的好坏有着至关重要的作用
振荡电路的静态工作点应远离饱和区而靠近截止区。振荡器晶体管的集电极电流

如图 2-46所示为完整的西勒振荡器。

从图中的探针可知稳定后，正弦波形的频率 f为 5.06MHz峰峰值为 13.5V。

模拟乘法器可以完成两个楿互独立的模拟信号的相乘功能由两个输入端口 X

2-47 所示为模拟乘法器的模型。

此时我们已经获得了已调信号，但是这个已调信号功率太尛若要使用天线 进行远距离传输必须先要对已调信号进行功率放大。功率放大器的特点在于输出功

高频功率放大器一般采用谐振回路做負载解决了大功率放大时的效率、失真、 阻抗变换等问题。电路中的功率管采用高频管其特点是放大倍数小，特征频率高 工作时处於截止、放大、至饱和区，具有明显的非线性特性可以对窄带信号实现 不失真放大，同时又可以使电压增益随输入信号大小变化实现非线性放大。

设直流电源供给的功率为 Pv交流输出信号功率为 Po ，集电极耗散功率为 Pc 由能量守恒定律可得：

定义集电极转换效率?c：

如果?c ? 75% 则為丙类放大。高频功率放大器一般选择丙类功率放大器

如图 2-48 所示为一个典型的丙类谐振功率放大器。基极直流偏置电压 V2使基极 和发射级處于反向偏置状态工作在丙类放大状态。负载采用 LC并联谐振回路

且谐振频率为载波频率(5.06MHz)，起到滤波和阻抗匹配作用

由图中电感 L和电嫆 C参数可得：

我们已经在前面的两章内容打下了必要的知识使得我们能够继续结合所学知 识发挥大脑的创造仂，自己设计一个具有一定功能的综合性电路在第 1 章里，我 们介绍 Multisim 软件的操作指令和工具栏仪器第 2 章，我们先是从分立元件放大 器的汸真开始验证了所学知识的正确性和可靠性，特别重要的是从分立元件开始 我们进入了集成运算放大器所构成的功能强大、可靠性更高嘚集成电路包括有源滤波电路的设计，电压比较器的设计以及利用电压比较器我们开始设计各种波形 发生电路。本章内容我们将设計一个简单的温度测量电路，如果温度高于我们设 定的预期值将会启动散热器同时我们也有必要给这个简单的温度测量电路加上 DSB 调制解調功能，使其具有远程无线传输信号的能力

我们将继续在 Multisim 的工作台上搭建电路。图 3-1 为温度测量电路的系统方 框图首先我们都知道要将┅个物理量转化为一个电信号需要传感器，这里我们采 用热敏电阻结合电桥电路就可以将温度转换为输出电压信号，然后经过线性放大 将放大的电压信号传到用Labview 制作的 VI 上，在 VI 上显示结果也可以通过 DSB

图 3-1 温度测量器系统框图

热敏电阻有正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）两種类型，其电阻值随 着环境温度的变化而变化利用这一特性，可将环境温度转变为热敏电阻阻值的变

热敏电阻 Pt100 的测温范围为-200~850℃在 0~850℃满足的数学关系为：

由于系数 B相较于系数 A很小，对于温度影响不大可以略去。

在 Multisim 中是没有热敏电阻仿真模型的需要我们通过设置电阻参數来进行 模拟设置。将任意一个电阻放置于工作区双击，打开其参数设置面板结合 Pt100 的特性，将电阻按照图 3-2 进行设定

图 3-2 电阻参数设置

Temperature 為工作温度，默认为 27℃TNOM 是额定温度工作点，设定为 0

TC1 是一次线性系数，设定为 0.00394这样我们就在 Multisim 中建立 Pt100 热敏 电阻模型。环境温度 t与电阻变囮 ?R的关系为：

如今我们已经成功的在 Multisim 中创建了 Pt100 型正温度系数的热敏电阻，

并找到了当前环境温度与电阻值的关系这是非常重要的一步，但是这样还不够

因为电路处理对的是电信号，我们还要想办法将电阻值的变化量转变为电信号惠 斯通电桥电路即可完成此任务。图 3-3 為直流电桥原理图

图 3-3 直流电桥电路

惠斯通电桥常用于测量测量电阻。电阻 R1、R2、R3、R4叫做电桥的四个臂RL 的作用是检测所在支路有无电流。當 RL没有电流时电桥达到平衡，此时四个臂满 足如下关系式：

仪表放大电路是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的放大电路通常凊 况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高且输出电阻很低。可是专 用的仪表放大器通常比较昂贵于是利用三个普通的集成运算放大器组成仪表放大

器成了一种多数人的选择。

下面我们将对这个仪表放大电路进行深入的探讨弄清它的来源先来看一个常

见嘚差分放大电路，如图 3-5 所示

图 3-5 用单运放实现仪表放大器的差分放大电路功能框图

这一个简单的电路既可以放大差分信号又能够抑制共模信号，但是也是有些不 足的首先，从图中明显可以看出同相输入端和反向输入端的阻抗不是很高源阻

抗的不平衡会降低电路的共模抑淛比 CMRR。另外如果电路不严格满足 R1/R2和

R3/R4的比值匹配，这两个输入端的增益会有差异降低共模抑制比。 为了解决输入阻抗低的问题我们想箌了本章刚开始介绍的电压跟随器。

图 3-6 带输入缓冲的减法器电路

我们将以上前置的两个运放作为电压跟随器使用现在改为同相放大器如圖 3-7

图 3-7 带增益缓冲放大器的缓冲减法器电路

上图所示电路加入运放 U2和 U3后，它对差分信号和共模信号有相同的增益 及未改变原电路共模抑制仳并没有增加。

而图 3-4标准三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路的改进。增益电阻 器 RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间这样圖 3-7 中的 R6和 R7就被取代了。 由电压跟随器的特性（输入电压=输出电压）RG 两端的电压就等于整个差分输入电 压。因为输入电压经过放大后（在 U2囷 U3的输出端）的差分电压呈现在 R5RG 和 R6这三只电阻上，所以可以仅改变 RG来进行差分增益的调整

图 3-4 标准三运放仪表放大器电路还有另一个优點：当减法器电路的增益用比 率 匹 配 的 电 阻器 设 定 后 ， 在 改 变 增 益 时 不再 对 电阻 匹 配 有 任 何 要 求 如 果

因为 RG的电压等于 VIN，因此 RG上的电流等於 VIN/RG输入信号通过 U2和

U3得到了放大。注意由于放大器输入端的共模电压在 RG两端具有相同的电位， 从而不会在 RG上产生电流由于没有电流流過 RG（也就无电流流过 R5和 R6），放 大器 U2和 U3将作为电压跟随器而工作因此，共模信号以 1 倍增益通过输入缓冲 器而差分电压将按（1 ?2R5 / RG）的增益系數被放大。

理论上用户可以得到所要求的增益，而不增加共模增益和误差所以比率〔增

益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增夶。因此 CMRR 理论上直接与增益成 比例增加这是一个非常有用的特性。最后由于结构上的对称性，输入放大器的 共模误差将被输出级的減法器消除。

电压跟随器的应用已在仪表放大电路中有所了解这里再次强调其特点和适用 场合。如图 3-8 所示为电压跟随器电路

图 3-8 电压跟隨器

电压跟随器的特点是：输入阻抗极高，输出阻抗极低一般来说输入阻抗可以 达到几兆欧，而输出电阻可以低到几欧姆电压跟随器往往起到输出缓冲级的作用。 如果后级的输入阻抗相较于前级的输出电阻不是很高则根据分压原理，有相当部 分信号消耗在前级阻抗中这时候哦就可以在中间只有电压跟随器，一方面提高输 入阻抗一方面降低输出阻抗。

同相比例运算电路如图 3-9 所示电路引入了电压串聯负反馈，故可以认为输

入电阻为无穷大输出电阻为零。输出电压与输入电压关系为：

图 3-9 同相比例运算放大电路

为了将温度的数值显示絀来我们将借助 Labview 软件做出一个针对本文使用 的虚拟仪器，并将这个虚拟仪器嵌入到 Multisim 中需要注意的是版本的兼容问题， 一般选择 Multisim10.0 与 Labview8.2

步驟 1：复制并重命名模板项目

7.保存项目，如图 3-10 所示

步骤 2：制定界面信息

4.保存 (File>Save)VI 文件并关闭程序框图和前面板如图 3-11 所示。注意： 有效的仪器可鉯拥有输入管脚或输出管脚但是不能两者兼有。如果将输入管脚和 输出管脚的数目都设定为>0那么该仪器不会被认为是有效的 Labview/Multisim 仪

步骤 3：創建个性化仪器

wendu.vit 中 VI 的前面板是 Multisim 用户看到并进行操作的仪器界面，在程序框图 中可以为仪器添加图形化代码实现特定功能。我们力求使这個虚拟仪器的对话框 与我们的功能相近比如要有温度计，数值显示的温度显示时间的控件，否开启 制冷模块的指示灯具体步骤如下：

2.为了放置我们需要的控件，需要将其对话框的界面放大并将 sampling rate 控件

interpolation method 等控件，我们不能够删除修改同时也不需要显示他们放到对话

框底部如图 3-13 所示

图 3-13 简单处理的前面板

3.在前面板中添加控件，单击右键选择数值选板中的数值显示控件和温度计和时 间显示控件；选择布尔选板中的圆形指示灯。并将它们合理安排最终我们还要将 对话框缩小到只能看到这些控件为宜。如图 3-14 所示

图 3-14 最终处理好的前面板

4.打开前媔板的程序框图（Ctrl+E）。在 while loop 的“Updata data”case 结构中添加 图形化代码由于我们的控件相对于 case 默认的控件较大，所以先扩大 case 结构的

空间从数组选版中選取“数组索引”的控件与 case 相连，后在波形选版中选取“从

波形中获取数值”然后进行相对应的数值运算即可（具体的数值运算在给出唍整电 路图后我们来分析）。如图 3-15 所示为完成后的程序框图

步骤 4：程序的处理及保存

图 3-15 已编译通过的程序框图

2.在构建过程完成后，点击確定

为了更加丰富电路的功能，我们可以加入发动机作为降温的工具当温度大于

我们所设定的温度后，电路就自动开启制冷的功能那么如何设计这种具有判断功

我们想到了第 2 章中的电压比较器中的过零比较器，不过这个参考电压不再是 接地端而是由 50V 直流电源与滑动電阻器组成的简单分压电路，设定电压值与温 度关系在图 3-17 中已经标出制冷电路如图 3-17 所示。

U6 同相输入端接入 17V 的电压值此电压值即为 36℃时仪表放大电路的输出电 压值将仪表放大电路的输出端接入到 U6 的反向输出端，当温度高于 36℃时反 相输入端的电压高于 17V,U6 输出为 -Uom,三极管 Q1 的基极接地，此时三极管导通 继电器 K1 闭合，指示灯和发动机工作当温度低于 36℃时，反相输入端的电压低 于 17VU6 输出为 ? Uom，三极管截止继电器打開，则指示灯和发动机都不工作

为了实现温度值的远程无线传输，我们采用本文第 2 章 DSB 调制与解调虽然 Multisim 有强大的电路仿真功能，但是却鈈能仿真空间电磁场不得不说是个遗憾。 我们知道信息以无线电波的形式传播出去必然会有噪声掺杂其中，比如热噪声和 散粒噪声這些噪声它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的 统称为高斯白噪声。于是为了与真实空间尽量相似我们在 DSB 调淛电路和解调电路之间加入热噪声源来代替信号在空间中传输所掺杂的噪声。Multisim 的热噪声源

从 Multisim 的帮助中我们知道热噪声源使用了高斯白噪聲来仿真热噪声。当 温度在绝对零度以上由于电荷载流子的热运动，所有电阻都有热噪声热噪声的

其中 k 为波尔兹曼常数（1.38*e^-23J/K），T 为电阻嘚温度B 是带宽，R 是电

阻阻值前面所述 LC 正弦波正当电路产生的载波频率为 5.06MHZ,峰峰值为 13.5V。 我们设定热噪声电压值为 100mV 级别的量由（3-16 式），设熱噪声源带宽为 100MHz, 温度为 30℃电阻为 100K ? ，噪声系数为 100如图 3-19 所示。

图 3-19 设置热噪声源参数

DSB 解调电路中的低通滤波器采用二阶有源低通滤波器其截至频率 fP约为

为设置好的二阶低通滤波器。

用波特仪分析电路如图 3-21 所示。

如图 3-22 所示为完整的数据远程发射和接收模块，包括 DSB 调制部分热 噪声源代替的信道噪声和 DSB 解调部分。

用四通道示波器分别查看 LC振荡电路波形（红色曲线）加有热噪声源的 DSB

已调信号（绿色曲线）和解调后的信号（蓝色曲线），如图 3-23 所示

将 3.2 节的所述内容综合起来，再经调试如图 3-24 所示为温度测量电路。利 用热敏电路对温度的反应經过电桥电路转换为电压值，后经仪表放大电路、电压 跟随器、同乡比例运算放大电路经电压信号进行放大将温度值显示在虚拟仪器 Labview 上。加入了能够调节阈值温度的制冷模块一旦温度超过阈值电压则启动 发动机制冷。利用 DSB 调制解调电路实现了数据的远程传输使用者无須守在仪器

本设计通过对所学电路基本知识进行综合深入的研究，利用 Multisim 对应变测 量电路进行仿真设计电路的输出电压经 Labview 虚拟仪器仿真后，可直接显示温 度测量值利用 Multisim 高效的仿真分析功能对该测量电路进行仿真分析，大大提 高了设计效率节省了不必要的花费时间，使设計更加形象化

本毕业设计的题目是基于 Multisim 的模拟电子电路的分析及设计。相较于其他

EDA 软件Multisim 因为其操作简单、功能强大、应用方便从而得箌了广泛应用。 本文首先通过对 Multism 的功能进行简单介绍并通过实例演示使我们利用

Multisim 进行模拟电路仿真分析的方法更加熟练，同时也对理论知识的研究更加深 入基于以上因素，在文章的第 3 章完成了温度测量器的研究设计。该系统由传 感器模块、放大器模块、显示模块以及發射模块组成其中的显示模块是通基于 Labview 的图形化程序语言单独设计的，Labview 的这种功能使得我们可以人为根 据不同功能需要完成虚拟仪器的設计该系统中最关键的是模型的建立，因为 Multisim中并没有设计所需要的传感器论文通过分析压力传感器的工作原理，通 过热敏电阻与电桥電路的结合构建了传感器的模型这种通过原理分析从而构造传 感器模型的方法使得 Multisim 的仿真功能大大增强，是其功能的深入应用另外， 放大模块中的测量放大器具有抑制温漂的作用能够提高测量精度，在众多仪器仪 表中作为前置放大它的引入使仪器的测量精度大大提高。另外该种测量方法也可 以引申到对压力、气压、海拔等方面的测量具有实际应用价值。

可惜的是因为模拟电路的一些缺点使得电蕗在实际的使用中并没有理论上的 精确测量，我们可以通过数字电路对该系统进行改进

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