电子电路分析与设计
电子电路分析与设计范文第1篇
【关键词】Pspice 模拟电子电路 电子电路设计
在电气、电子、自动化、计算机等类型的专业中，模拟电子电路设计是基础的技术课程，其理论知识较为抽象且电路的原理较为复杂，对于学生来说比较困难，教师也难以教好。本文提出将Pspice应用在模拟电子电路设计中，有了该软件，就等于有了电路以及实验室，完美地将理论与实践结合，为教师和学生提供便利。
1 Pspice软件概述
Pspice软件由Schematics（电路模拟器）、Pspice（仿真软件的数据处理器）、Probe（软件的图形后期处理器）、Stmed（产生信号的工具）、Parts（为器件建立模型的工具）和Pspice Optimizer（软件的优化设置工具）等组成，能够提供强大的电路图绘制、电路模拟仿真、图形后期处理等功能。
Pspice包括以下主要功能：直流特性分析，其中包囊直流静态工作点分析、直流灵敏度分析、直流扫描分析以及直流小信号传递函数值分析；交流扫描分析，包括频率特性分析和噪声分析；瞬态特性分析；蒙特卡罗分析；温度特性和参数扫描分析；最坏情况分析等。
在设计电子电路期间，以既定的功能及技术参数来制定设计方案，可以应用Pspice模拟和连接电路并检测电路设计有无达到预期效果，也可以在计算机上对电路的结构和相关参数进行修改，不断测试、观察输出的波形，直至达到设计要求，以便取得电路的最优技术指标，为电路设计的精准性评价提供便利。此外，还能够分析容差、敏捷性、最坏状况、温度特性等，这些都是传统的方法难以完成的，还能够比较各种设计方案的优劣，方便选择最优的方案，使电路设计最优化。
2 Pspice软件的仿真实例
Pspice软件在电子电路设计中的应用可以提高教学效率，仿真电路的步骤大致分为五步：第一，绘制电路图；第二，分析电路的特性和仿真参数；第三，仿真测验；第四，显示仿真的结果；第五，分析并输出相应的实验结果。下面对Pspice软件的仿真实例进行分析。
2.1 限幅电路的设计实验
限幅电路的示意图如图1所示，二极管的型号为DIN4148，电阻为1kΩ，电源电压为3伏特，当输入电压达到6sin wt的时候，电路要达到限制输入电压幅值的目的。
设置直流扫描分析以及瞬态分析，得出输入电压Ui以及输出电压U0的波形，如图2所示，可见电路对输入电压幅值的限制效果。
在限幅电路的瞬态分析结果示意图中可见（图3），当输入的电压超出固定范围时，超出的部分就会被截止，这样就能使信号的电压在一定的幅值内，防止电路受信号电压的影响出现故障。
2.2 RC正弦振荡电路设计实验
RC振荡电路在电子技术中得到广泛应用，振荡电路在自动进行振荡的过程中，其达到平衡的条件所花费的时长极短，在课堂上，教师直接讲授相关的理论会令学生难以在有限的课堂时间内理解并掌握，因为学生难以根据抽象的理论想象出波形。就此，将Pspice运用到其中，可以观察出振荡电路建立振荡的过程以及振荡器在稳定之后的波形，同时，可以改变电阻或电容，观察其对振荡电路会产生怎样的影响，更加便捷、直观地掌握振荡电路的设计原理及运行原理。
3 总结
从上述的设计实验中可知，在模拟电子电路设计中应用Pspice能够使设计仿真的效果精准且直观形象，为电子电路的设计提供极大便捷。Pspice是应用极广的电路设计及分析软件，具有绘制电路图、模拟仿真电路、图形后期处理等强大功能，在建立真实的电路之前，在该软件上设计、绘制仿真电路，依据具体的需求来设置相应的参数，断定电路设计是否科学、性能是否可靠、能否达到设计的要求、有无必要修改电路等，还可以对元件的变化会对电路造成怎样的影响进行综合评估，同时也能对一些电路的特性进行测量分析。总之，Pspice的应用能够为电子电路的模拟仿真设计带来很好的内外部条件，帮助设计者设计出最优电路，提高教师的教学效率和学生的掌握速率，从根本上减少成本支出，使电路设计最优化，提高电路性能的可靠性，是模拟电子电路设计中必不可少的仿真设计软件。
参考文献
[1]杨慧梅，朱勇.PSPICE仿真软件在《低频电子线路》教学中的应用[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2010（05）.
[2]付巍.Pspice在模拟电子电路设计中的应用[J].机械工程与自动化，2006（03）.
[3]段天睿，滕照宇，姚勇，李兴红.柔性线路板串扰Pspice仿真分析及应用[J].安全与电磁兼容，2009（05）.
[4]宋国民，王宁，张爱云，周维.Pspice仿真平台在共轨ECU设计中的应用[J]. 现代车用动力，2009（03）
[5]周润景，张丽娜，王志军.Pspice 电子电路设计与分析[M].北京： 机械工业出版社，2011
电子电路分析与设计范文第2篇
关键词：Multisim；单管放大电路；仿真分析；放大电路
中图分类号：TN7；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-0-02
0 引 言
模拟电子技术是电子、通信类专业的一门专业基础课。通过这门课的学习，使学生掌握电子电路的基本理论与基本实验技能，并初步具有电子电路的设计和创新能力。随着科技的发展，电子电路分析和设计方法实现了现代化和自动化，在教学中适当引用计算机辅助工具实现硬件设计软件化，让实验变得简单、方便，同时可帮助学生快速理解理论知识。使用Multisim软件不仅可以快速设计电路，还可与理论设计进行比较，为电路的进一步调试提供便利，极大地缩短了产品的研发周期。
本文以典型的单管放大电路为例，具体介绍了利用Multisim设计单管放大电路，并对其进行静态和动态分析，得到放大电路的静态工作点，分析静态工作点的影响因素；在动态分析的基础上得到了电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及带宽。
1 Multisim仿真软件功能及特点
学习电子技术，不仅要熟练掌握电子器件以及电路的基本原理、参数计算方法，更重要的是对电路的分析、应用以及开发。Multisim是一款在业内广泛采用的电子电路仿真与设计软件，其功能强大，能最大化满足使用者的需求，其拥有的专业功能可以轻松处理较为复杂的电路设计。它包含电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入，具有丰富的仿真分析能力，元件库中提供了大量仿真模型，确保了仿真结果的准确性、真实性和实用性，并集成了多种虚拟仪表，包含大量设计实例、课程设计和研究项目，使得实验更加简便快捷。
2 单管共射放大电路设计
根据NPN型晶体管的特性，设计一个输入电阻为Ri、输出电阻为Ro、电压放大倍数为Au的共射放大电路，电路设计具体过程如下：
（1）晶体管是放大的核心元件，输入信号为正弦波电压Ui。在输入回路中，加入基极电源VBB使晶体管基极与集电极之间的电压UBE大于开启电压UON，并与基极电阻Rb同时决定基极电流IB；在输出回路中，应该让集电结反向偏置，使晶体管处在放大状态，所以集电极电源VCC应该足够高，这里取12 V，基本共射放大电路如图1所示。
（2）在实际电路中，通常用一个直流电源代替基极电源和集电极电源，为了设置合适的静态工作点，在输入回路中增加一个电阻Rb1，得到如图2所示的直接耦合共射放大电路。
（3）加入输入信号时，图1的Rb和图2的Rb1上均有电压损失，减小了基极与发射极之间的电压差值，影响了电路的放大能力。由于电容有“隔直通交”的作用，在输入端加入大电容C1，使输入信号可以无损失地加在基极与发射极之间，在输出端加入电容C2，连接放大电路与负载。为了稳定静态工作点，并增大放大电路的交流电压增益，在发射极端增加一个电阻Re和一个电容Ce并联电路，具体电路如图3所示。
3 静态工作点分析
为保证放大电路不失真地对已知小信号进行放大，设置合m的静态工作点非常必要。将输入信号置零，使直流电源单独作用时，将基极电流、集电极电流、晶体管b-e间电压和管压降称为静态工作点Q，通常记为IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在图3所示的阻容耦合共射放大电路中，已知Vcc=12 V，Rb1=5kΩ，Rb2=15 kΩ，Re=2.3 kΩ，Rc=5.1 kΩ，RL=5.1 kΩ；晶体管的β=50，rbe=1.5 kΩ，UBEQ=0.7 V，分别取C1、C3、Ce为30 μF、10 μF、50 μF。根据晶体管特性以及回路方程，估算静态工作点。因为（1+β）Re>>Rb1∥Rb2，所以 ：
（1）
（2）
（3）
（4）
然后通过Multisim的仿真功能与菜单栏Simulate选项中Analysis and Simulation中的DC Operating Point Analysis直接测出b、c、e的节点电压和Rc的支路电流。静态工作点分析如图4所示，其中V（b）=2.98 V， UCEQ=V（c）-V（b）= 6.80V-2.35 V=4.45 V， I（Rc1）=1.01 mA，由此可以看出仿真结果与理论估计值接近。
通过公式（1）～（4）可知，静态工作点与Rb2的取值有关，Rb2越小，静态工作点越高。将Rb2换成最大阻值为100 kΩ的滑动变阻器。改变Rb2，采用直流仿真方法测出四组不同阻值下的静态工作点，数据结果见表1所列，可以看出随着Q点的增高，IEQ越大。
4 动态参数分析
在电路的交流通路中，用h参数等效模型代替晶体管得到交流等效电路，这样的分析方式称为h参数等效模型分析。电容对交流信号短路，晶体管用h参数模型代替，画出图3的交流等效电路图如图5所示。电路的放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro称之为动态参数，根据电路的回路方程，可以得到动态参数的表达式：
（5）
（6）
（7）
在输入输出端接入万用表，设置为交流电压档，测得输入端电压为14 .142 mV记作Ui，输出端电压为1.173 V记作Uo，根据公式（5）计算得到放大增益Au为83.57，输入输出电压如图6所示。也可以放入双踪示波器，A通道连接输入端，B通道连接输出端，打开仿真开关，得到图7所示的输入、输出波形，可以看出输入输出波形有180°的相位差，并且输入波形被放大了81.5倍，与理论值相差甚微。
在输入端并联一个电压表，串联一个电流表，测得输入端电压和电流，通过计算得出输入端电阻Ri为1 kΩ；在输出端采用同样的方式得到输出电阻Ro为5 kΩ，电表均设置为交流档（即AC档）。由以上分析可知理论计算数值与仿真结果基本一致。
用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线，共射放大电路幅频如图8所示。由图可知中频电压增益为39.834 dB，根据频带宽度的测量原理，移动测试指针，使幅度值下降3dB，找到半功率点，低端频率fL约为134.4 Hz，高端l率fH约为1.425 MHz，同时计算出放大器的频带宽度fW=fH-fL≈1.4MHz。
5 结 语
利用Multisim仿真软件对单管共射放大电路进行设计和仿真，对电路的静态工作点和动态参数进行详细分析，理论与仿真结果基本相同。在仿真过程中充分利用Multisim的多种仿真方式，快速得到仿真结果，先仿真后制作增加了设计成功率，提高了实验效率。作为教学辅助工具，该设计方法对其他电子电路的设计有一定的参考价值与不可估量的作用。
参考文献
[1]肖渊.基于Multisim的放大电路设计及仿真研究[J].陕西科技大学学报，2009，27（4）：126-128.
[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.
[3]吕曙东.Multisim10在差动放大电路分析中的应用[J].现代电子技术，2010，33（22）：24-27.
[4]刘俊清，赵海，张玉梅.基于multisim10的单管放大电路的仿真[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2012，8（4）：55-56，66.
[5]代素梅，刘照红，钟宁.单管放大电路静态工作点仿真分析[J].测控技术，2014，33（12）：143-146.
[6]付扬.Multisim在仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索，2011，30（4）：120-122.
电子电路分析与设计范文第3篇
关键词：CAD；电子线路；Pspice；虚拟仿真
电子技术基础是一门电类的专业基础课，它包括模拟电路和数字电路，其理论知识繁琐、难懂，通过实践教学可以加深对理论的理解，提高学生学习的兴趣，但是由于实验室条件的限制，有些实验内容无法测量和验证，这样就束缚了学生对一些知识难点的理解。为了让学生更好地掌握理论，增强其主动性、积极性，在教学中教师可以引入电子线路CAD来完成对电路的测试、精确分析、直观显示。电子线路CAD的基本含义是使用计算机来完成电子线路设计过程，包括电路原理图的编辑、电路功能的仿真、工作环境的模拟、印制板设计（包括自动布局、自动布线）与检测等。目前，电子线路CAD软件种类很多，但其功能大同小异。Pspice是电子线路计算机辅助分析和设计中常用的一种通用电路分析软件。它以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，能模拟和计算电路的性能。目前，高版本的Pspice不仅可以对模拟电子线路进行直流分析、瞬态分析及交流分析等，还可以分析数字电子电路和数模混合电路。而且现在随着科学技术的发展，电子线路的规模越来越大，必须借助于计算机进行仿真、分析和设计，另外它还是电子产品从设计、实验到定型过程中一种不可缺少的设计工具。大部分高职院校已专门开设了电子技术基础计算机辅助分析和设计，即CAA和CAD课程。针对以上情况，在电子技术基础教学中，我们采用了Pspice仿真软件进行计算机辅助教学，要求学生自己对电子线路进行分析与仿真。下面就具体来谈谈我们的一些做法和体会。
一、应用Pspice软件加深对理论知识的理解
题目：分析差分放大电路的差模电压增益、共模电压增益
绘制差分放大电路原理图，其中vs+和vs-为正弦源。另存为chadong1.sch
1.分析双端输入时的差模电压增益
（1）设置信号源的属性
vs+，vs-为差分放大电路的信号源。vs+的属性设置如下：
vs+的“AC”项设为10 mv，vs-的“AC”项设为-10 mv。这样才能起到差模输入的作用。
（2）设置分析类型
（3）AnalysisSimulate，调用PspiceA/D对电路进行仿真计算。
（4）测得恒流源给出的静态电流为1.849 mA，晶体管Q1和Q2的发射极电流相等，都为0.9246 mA。
（5）在probe下，单击TraceAdd，在Trace Expression中输入要显示的变量。
若要观察单端输出时的差模电压增益，编辑表达式为：
V（out1）/（V〈Vs+：+〉-V〈Vs-：+〉）；
若要观察双端输出时的差模电压增益，编辑表达式为：
（V〈out1〉-V〈out2〉）/（V〈Vs+：+〉-V〈Vs-：+〉）。
得到结果如下：
（6）用游标测量，双端输出时的差模电压增益为100.68，单端输出时的差模电压增益为50.34，是双端输出时的一半（为什么）。两条曲线的上限截止频率点都是3.3843 Mhz。
2.分析双端输入时的共模电压增益
将原理图chadong1.sch打开，另存为chadong2.sch
（1）设置信号源的属性
vs+的属性设置不变。
Vs-的“AC”属性设置为10 mv，使其和信号源vs+一样，这样就相当于在两个输入端加上了相同的信号，起到共模输入的作用。
（2）设置分析类型
（3）AnalysisSimulate，调用PspiceA/D对电路进行仿真计算。
（4）在probe下，单击TraceAdd，在Trace Expression中输入要显示的变量。
若要观察单端输出时的共模电压增益，编辑表达式为：V（out1）/V（Vs+：+）；
若要观察双端输出时的共模电压增益，编辑表达式为：
（V〈out1〉-V〈out2〉）/V（Vs+：+）。
（5）用游标测量
双端输出时的共模电压增益为1.000E-30，（Pspice中用1.000E-30表示0），所以双端时的共模电压增益为0。在中低频段的单端输出共模电压增益为0.000733，也已经非常小，说明单端输出情况下也具有良好的抑制共模信号的特性。但随着频率的进一步增大，共模电压增益将会急剧增大，增加到一定程度后，将不会再有剧烈的增减，但是共模电压增益总是小于1。
从上述的仿真过程中对分析差分放大电路的差模电压增益、共模电压增益这一问题的解释就更具直观性，学生也会更容易理解这些难懂的理论知识点。
二、应用Pspice软件进行电子技术基础课程设计的辅助教学
电子技术基础的课程设计是教学的重要环节。选定一个电子产品就要按它的设计生产，从选题、方案论证、性能指标确定、装调电路、修改、定型参数直到批量生产是一个复杂而又费时的过程。该过程的任一环节，都对产品性能和经济效益有着直接影响。
传统的电路装配、调试过程，一般均采用面包板或专门的焊接板，通过手工连线装配，检查无误后，进行电路测量，最后评估电路性能。若性能与设计值不符时，需调换参数并重新调试测量，直至符合设计要求为止。但是，当电路非常复杂时，采用插接板或焊接板组装电路时所产生的连线错误、器件损坏等人为错误，常会造成人力、财力、时间的浪费及错误的性能评估。尤其是集成电路的设计，器件在插接板上就无法组合成像集成电路内部那样紧密复杂的电子电路，装配板上的寄生参数与集成环境中的完全不同。因此，在装配板测试的特性将无法准确地描述集成电路的真实特性。所以，电子技术基础的传统设计方法已经不适应当前电子技术发展的要求，这就要借助计算机完成电子电路的辅助设计，即电子线路CAD技术。因为它包括电子工程设计的全过程，如系统结构模拟、电路特性分析、绘电路图和制作PCB等。Pspice软件本身除含有强大的元件库外，还可以自行建立器件模型构成所需的元件库，从而不受经费和数量品种的限制，在任何时候都可调入任何所需器件来随时改变电路元件参数从而调整电路，使之更好地逼近设计要求。所以，我们在要求学生自己设计好电路后，都必须先调用Pspice软件进行电路仿真分析，以得出最理想的电路设计方案，然后再在实验室进行搭线和电路调试，最终做出一个合格的电子产品。
所以，采用Pspice仿真软件进行电子技术基础课程的教学，拓宽了学生的思维空间，有效地激发了学生的学习兴趣，提高了学生的自学能力和解决问题能力，对提高电子线路课程教学效果和效率及对学生创新精神和能力的培养都起到了较好的促进作用，也提高了学生对电子线路的分析与仿真能力和计算机的实际应用能力，为学生以后走向工作岗位打下了一个良好的基础。
参考文献：
[1]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2008.
[2]朱正伟.EDA技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2005.
电子电路分析与设计范文第4篇
中图分类号:TN722-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)22-0024-04
Application of Multisim 10 in Analysis of Differential Amplifier
L Shu-dong
(Department of Experiment Teaching, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China)
Abstract: In Multisim 10, the static and dynamic parameters of the typical differential amplifing circuit were simulated and compared with the true values by using DC operating point and transfer function analysis. The influence of the change of circuit parameters on the output waveform was analyzed by using parameter scanning and temperature scanning. The double-end output voltage waveform which was hard to be observed in actual circuit was tested by the transient analysis and postprocessor. The results show that the simulation parameters of electronic circuits based on powerful analysis capability of Multisim 10 are high- accurate and reliable, and the efficiencies of design and analysis of circuits are improved. Keywords: differential amplifier; Multisim 10; analysis method; postprocessor
收稿日期:2010-06-26
在自动控制系统中,往往需将一些变化缓慢的物理量(如温度、转速的变化)转换为相应的电信号,并通过直流放大器进行放大处理。直接耦合放大电路虽能放大交、直流信号,但电源电压的波动,晶体管参数随温度变化等因素会导致电路出现“零点漂移”[1]。差动放大电路是一种利用电路结构参数的对称性有效抑制“零点漂移”的直流放大器,它对差模信号具有放大能力,而对共模信号具有抑制作用。典型差动放大电路由2个参数完全一致的单管共发射极电路组成。
Multisim 10是美国国家仪器公司(NI 公司)推出的功能强大的电子电路仿真设计软件,具有丰富的新型元器件及虚拟仪器、强大的Spice仿真、数据可视化及分析测试功能,可对模拟、数字、自动控制、射频、单片机等各种电路进行原理图设计、仿真分析及功能测试。Multisim 10提供了一个强大的原理图捕获和交互式仿真平台[2],电路的设计调试、元器件及测试仪器的调用、各种分析方法的使用直观方便,测试参数精确可靠,是应用广泛的优秀EDA系统。本文以典型差动放大电路为例,主要探讨Multisim 10的多种分析方法在电子电路仿真设计中的应用。
1 电路设计
在Multisim 10中建立了如图1所示的典型差动放大电路。T1,T2均为NPN晶体管(2N2222A),电流放大系数β设置为80。拨动开关J1,J2可选择在差动放大电路的输入端加入直流或交流信号。数字万用表用于测量直流输出电压,示波器用于观测交流输入/输出电压波形,测量探针用于仿真时实时显示待测支路的电压和电流。
图1 差动放大电路
实际电路中T1,T2宜选用差分对管,晶体管的静态电流ICQ不宜超过1 mA。由ICQ可选取两管共用的发射极电阻Re,且Re不影响差模电压放大倍数,仅对共模信号有较强的负反馈作用,因此可以有效地抑制“零点漂移”,稳定静态工作点。由于两个放大器的参数不可能完全一致,因此通过电位器RP对电路进行调零。基极电阻Rb1,Rb2应根据差模输入电阻的要求选定。选取集电极电阻Rc1、Rc2时应使静态工作点靠近负载线的中点[3]。
根据输入端和输出端接“地”情况的不同,差动放大电路有以下4种不同接法:双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出[4]。
2 静态工作点分析
图1差动放大电路静态时因输入端不加信号,T1,T2的基极电位近似为零,因此电位器RP两端的电位均为-UBE(对于硅管约为-0.7 V),如电位器RP的滑动端处于中点位置,计算静态工作点为:
Ie=VEE-UBERP/4+Re=12-0.70.47/4+7.5≈1.48 mA (1)
Ic1=Ic2=Ie/2=0.74 mA(2)
Uc1=Uc2=VCC-Ic1Rc1=12-0.74×10=4.6 V(3)
Multisim 10中直流工作点分析方法是对电路进行进一步分析的基础,主要用来计算电路的静态工作点,此时电路中的交流电源将被置为零,电感短路,电容开路。进行静态工作点分析时需将电路的节点编号显示在电路图上(见图1),并需要选择待分析的节点编号[5]。
依次执行Simulate/Analyses/DC Operating Point(直流工作点)分析命令,设置图1中1,2,uo1,uo2,IProbe2,IProbe3为输出节点(变量),得到图2所示的静态工作点分析结果:Ie=1.48 mA,Ic1=Ic2=0.732 mA,Uc1=Uc2=4.68 V,所测参数与式(1)~式(3)分析结果基本一致。
图2 静态工作点分析
3 参数扫描分析
参数扫描分析用来研究电路中某个元件的参数在一定范围内变化时对电路性能的影响。选择图1中电阻Re为参数扫描分析元件,分析其阻值变化对电路输出波形的影响[6]。
图1差动放大电路设置为交流信号输入方式,设置正弦波输入信号频率为1 kHz、幅值为150 mV,依次执行Simulate/Analyses/Parameter Sweep(参数扫描)命令,设置扫描方式为Linear(线性扫描),设置电阻Re扫描起始值为5 kΩ,扫描终值为7.5 kΩ,扫描点数为3,设置输出节点为uo1,得到如┩3(a)所示参数扫描分析结果。当Re=5 kΩ时,由于T1管的静态工作点偏高,其输出电压uo1产生了饱和失真。可见,Re阻值的变化影响差动放大电路的静态工作点。
图3 参数扫描分析及温度扫描分析
4 温度扫描分析
温度扫描分析用来研究温度变化对电路性能的影响,相当于在不同的工作温度下进行多次仿真[7]。
图1差动放大电路设置为交流信号输入方式,设置正弦波输入信号频率为1 kHz、幅值为10 mV,依次执行Simulate/Analyses/Temperature Sweep(温度扫描)命令,设置扫描方式为List(取列表值扫描),设置扫描温度为0 ℃,27 ℃,120 ℃,设置输出节点为uo1,得到如图3(b)所示温度扫描分析结果。随着温度的升高,T1管的输出电压幅值变小。可见,故温度变化会影响单管放大电路的静态工作点。
由于温度的变化与T1,T2参数的变化相同,集电极静态电流、电位的变化也相等,故输出电压uo的变化为零,可将温度变化等效为共模信号[8],因此差动放大电路对温度变化产生的“零点漂移”具有抑制作用。
5 动态参数分析
图1电路的差模电压放大倍数Aud与单管共射电路相同,且Aud由输出方式决定,而与输入方式无关。
计算双端输出差模放大倍数为:
Aud=-βRcRb+rbe+12(1+β)RP=
-80×1010+3.146+12×81×0.47≈-24.86 (4)
单端输出差模放大倍数为:
Aud1=-Aud2=12Aud=-12.43 (5)
双端输出共模放大倍数Auc的理论值为零。
单端输出共模放大倍数为:
Auc1=Auc2=-βRcRb+rbe+(1+β)(12RP+2Re)=
-80×1010+3.146+81×(0.235+15)≈-0.64 (6)
5.1 传递函数分析
依据传递函数分析可计算电路中输入源与两个节点的输出电压或一个电流输出变量之间的直流小信号传递函数,同样可以用于计算输入和输出的阻抗[6]。
将图1电路分别设置为直流差模、直流共模信号输入方式,依次执行Simulate/Analyses/Transfer Function Analysis(传递函数分析)命令,设置V3为输入电压源,设置输出节点为uo1,分别得到如图4(a),4(b)所示传递函数分析结果。由图4测得Aud1=-12.4,Auc1=-0.64,所测参数与式(5)、式(6)分析结果基本一致。
5.2 直流信号测试
拨动开关J1,J2,在图1电路中两输入端加入直流差模信号ui1=+0.1 V,ui2=-0.1 V,通过数字万用表测得uo1=2.246 V,uo2=7.115 V。计算Aud=(2.246-7.115)/0.2=-24.345,Aud1=(2.246-4.68)/0.2=-12.17,Aud2=(7.115-4.68)/0.2=12.175。
在图1电路中两输入端加入直流共模信号ui1=ui2=0.1 V,通过数字万用表测得uo1=uo2=4.616 V。计算Auc1=Auc2=(4.616-4.68)/0.1=-0.64,Auc为零。
直流信号测试参数与式(4)~式(6)分析结果基本一致。
5.3 交流信号测试
5.3.1 单端输出
在图1电路中两输入端分别加入交流差模信号(函数信号发生器的输出端接ui1、地端接ui2,构成单端输入方式)及交流共模信号(函数信号发生器的输出端同时接ui1,ui2),设置正弦波输入信号频率为1 kHz、幅值为10 mV。
图4 传递函数分析
通过示波器观测差模、共模信号输入波形和单端输出波形如图5所示。由示波器测得:差模单端输出电压的幅值约为119 mV,Aud2=11.9;共模单端输出电压的幅值约为6.4 mV,Auc2=-0.64。单端输出测试参数与式(5)、式(6)分析结果基本一致。
5.3.2 双端输出
由于Multisim 10提供的示波器不能直接测量uo两端的电压波形,因此需通过后处理器对双端输出电压进行观测。在进行后处理之前需要对电路进行瞬态分析,然后将瞬态分析结果进行后处理。
瞬态分析是一种非线性电路分析方法,可用来分析电路中某一节点的时域响应。在进行瞬态分析时,Multisim 10会根据给定的时间范围,选择合理的时间步长,计算所选节点在每个时间点的输出电压,通常以节点电压波形作为瞬态分析的结果。
图1电路设置为交流差模信号输入方式,设置正弦波输入信号频率为1 kHz、幅值为10 mV,依次执行Simulate/Analyses/Transient Analysis(瞬态分析)命令,选择图1电路中节点uo1,uo2的电压作为输出变量,得到如图6所示的瞬态分析结果。可见,uo1,uo2大小相等、相位相反。
后处理器(Postprocessor)是专门对仿真结果进行进一步计算处理的工具,不仅能对仿真得到的数据进行各种运算,还能对多个曲线或数据之间进行数学运算处理,并将结果绘制到曲线图或图表中,绘制的结果表现为“轨迹线”的形式。
图5 输入/输出电压
图6 瞬态分析
依次执行Simulate/Postprocessor(后处理器)命令,选择对图6瞬态分析结果中两个节点(uo1,uo2)输出电压进行减法运算,得到的差模信号双端输出电压uo波形如图7所示。
由图7可测得uo的幅值约为242 mV,计算Aud=-24.2,双端输出测试参数与式(4)分析结果基本一致。
图1电路设置为交流共模信号输入方式,通过瞬态分析和后处理器测得共模信号双端输出电压uo幅值仅为0.062 μV,Auc=6.2×10-6。可见,差动放大电路对共模信号具有很好的抑制作用。
图7 双端输出电压uo波形
6 结 语
Multisim 10具有强大的电路设计和仿真分析功能,以典型差动放大电路为例,利用直流工作点分析和传递函数分析对电路的静态工作点、差模及共模电压放大倍数的仿真数据和真实值进行比较,利用参数扫描及温度扫描分析了电路参数变化对输出波形的影响,利用瞬态分析、后处理器分析对实际应用中难以观测的双端输出电压波形进行了测试,电路各项参数指标均与真实值相符,提高了电路的设计和分析效率。研究表明,利用Multisim 10进行电子电路计算机仿真设计,不仅速度快,效率高,参数测试精确可靠,而且可广泛应用于电气控制、电子信息、通信工程、自动化等各种电路设计领域。
参考文献
[1]黄培根.Multisim 10虚拟仿真和业余制版实用技术[M].北京:电子工业出版社,2008.
[2]唐赣,吴翔,苏建峰.Multisim 10 & Ultiboard 10原理图仿真与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2008.
[3]沈小丰,余琼蓉.电子线路实验――模拟电路实验[M].北京:清华大学出版社,2008.
[4]华成英.模拟电子技术基本教程[M].北京:清华大学出版社,2006.
[5]吕曙东,孙宏国.电工电子实验技术[M].第2版.南京:东南大学出版社,2010.
[6]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京:电子工业出版社,2008.
电子电路分析与设计范文第5篇
[关键词] 电子线路体系课程； 计算机辅助设计； 教学模式； 改革； 创新； 仿真设计
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2013 . 19. 056
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2013）19- 0102- 02
1 传统电子线路教学模式凸显弊端
在传统的电子线路体系课程教学中，工程应用是该类课程教学的宗旨。学生要想掌握更多、更新的专业知识和技能，实现可持续发展，必须学好电子线路这类课程。对于这类课的掌握程度，决定了学生后续专业课程学习的效果，无疑影响着学生学习的热情。从日常教学和学生表现的情况了解到，目前电子线路类课程的教学存在着许多问题，学生难以入门、学习起来困难、很多概念难以理解、对所学知识无法应用等，使很多学生难以提起学习的兴趣，自然也就不可能有好的学习效果。究其本质，是电子线路课程内容繁杂、不直观，对于初学者而言，缺乏一个形象的有机联系。
电子线路教学实践过程中，包含着各种重要的电学基础定理、电路分析过程、电路体系测试与性能，这些都要通过理论分析与实验来验证得到结论。但电学基础实验设备价格一般比较昂贵，一般高等学校不大可能购置如数字存储示波器、高频信号发生器、逻辑分析仪等先进的实验设备。
在传统实践教学中，电子线路实验不仅需要大量的电子器件等实验器材，而且有些实验测试设备不能达到应有的实验精度，使实验结果出现偏差。由于即使错接一根导线也可能导致实验设备的损坏，因此在实验过程中，如受测试仪器本身性能和电子实验器件的限制，很难从容地显示各种电路的分析过程；也无法将测试仪器上的曲线及数据及时保存和打印；更难以复现诸如频谱分析、网络分析、多路数字信号等电学过程等。由于设备问题，有些数据也会偏离正常值，从而混淆了对电路的理解，影响学生对电路的基本原理和性能的理解，失去了理论课教学的作用。
2 电子线路仿真对电子线路教学的促进作用
在电子线路教学中，各个高校大多采用传统的理论教学模式，使得理论课教学枯燥无味。采用电子仿真软件后，理论课教学可以采用互动式教学方法。可以和学生互动，让学生参与到电子理论教学中来，可以大大激发学生学习理论课的积极性，提高学生的理论水平，培养学生分析问题和解决问题的能力。
随着电子计算机技术的大力发展，各种电子仿真软件不断涌现，大大简化了电子线路体系课程的教学。与传统实验相比，电子仿真软件不需要附加实验信号源、电子测量设备，但与实际电路运行结果相同，可以进行任意设计电路，进行运行、数据分析，并且其实验数据和技术指标都是真实有效的，这样不仅可以把笨重而昂贵的实验仪器搬进课堂，也可以随着同学把实验室搬到各地。
通过课堂和实验室实践教学相融合，可增强学生的学习兴趣，改善真实情境，观察隐藏的电特性及实验现象，具有安全性能高和利用虚拟实验仪器节省经费等优点，可以帮助学生学习各种不同的电学概念，并进行各项实验。这使得在理论教学中可以穿插实践教学内容，直观性好、学习效率高，激发学生参与各级各类电子设计大赛的积极性。通过电子线路仿真软件教学，将大大激发学生的学习积极性，使原来枯燥无味的理论教学变得形象直观，增强教师与学生的互动性。
3 电子线路课程体系中教与学模式的转变
刚学习电子线路类专业课程时，绝大多数学生对专业知识体系结构及所要学习的内容并不了解，随着学习难度的日益加大，其热情也会随之降低。在学生中，不乏有对电子线路课程专业知识的神秘感、好奇心和自信心，但又缺少对所学知识学习的持续能力。而电子线路体系课程正是自主学习消化理解和需要长时间探索的基础类课程。因此，结合课程学习和学生特点，不能应用传统的教学模式，即先讲理论，再进行实践，这样就错过了抓住学生兴趣的好时机。
以计算机技术为核心的信息技术的发展，为电子线路体系课程的教学提供了现代化的、课堂和专业实验室相结合的教育新技术。在课堂上，学生可以跟随老师同步实验。课余时间，学生可以在计算机上完成教师指定的仿真，可以自行设计电路，可以对比不同的输入变量仿真出各种结果。这样就可以使学生变被动为主动，更好地理解课上所学内容。
4 紧密加强电子线路课程体系之间的内在联系
电子线路体系课程包括电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、高频电子线路、电子测量、传感器、单片机原理等课程。而一个完整的实践项目内容也涵盖了电子线路体系课程中大部分所学课程。因此，仅靠单一科目的学习无法满足项目实践的需要。而一个综合项目需要的实作器材、仪表、仪器种类多，涉及各个学科单项实验室，这给综合项目设计带来了困难。而电子线路仿真得益于电子计算机技术的发展，使学生在非实验室场地也可完成各种所设计的电子系统。电子线路仿真自带的实作器材、仪表、仪器种类多，涉及几乎所有电子线路类课程所需器件，不会出现因器材、仪器、仪表不足而不能实验的缺憾。电子线路计算机仿真在教学中应用可以大大推动电子线路实践课程的改革与创新。
5 结 论
本文利用现代教育技术，将电子线路体系课程和计算机工程应用有机地结合起来，深化与完善电子线路教育教学体系。大连海洋大学电子信息工程专业于20世纪80年代在电子线路教学过程中就已经引入计算机辅助设计电子电路方面的课程与实验，加强学生利用计算机设计电子线路的能力。目前已经开设电子线路仿真设计、电子线路板制作、电子设计自动化3门课程及其课程设计。围绕电子线路体系课程，诸如电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、高频电子线路、电子测量等课程设置电子线路综合设计，使课程之间保持着紧密的衔接与交融，大幅度提高学生综合利用所学知识的能力，效果良好。
主要参考文献
[1] 徐辉. 传统电子学教学和现代EDA技术的整合[J]. 湖北教育学院学报，2006，23（2）：98-101.
[2] 蔺智挺. “电子线路计算机辅助设计”教学改革探索[J]. 中国科教创新导刊，2012（12）：157-159.
[3] 方亮，吴文全，宋胜锋. Multisim电子线路仿真设计软件的教学应用[J]. 长江大学学报：自然科学版，2004，1（4）：71-73.
