第5章 用Multisim 和Proteus进行电路仿真 Multisim是美国国家仪器(NationalInstruments,NI)有限公司推出的以Windows 为基础的仿真工具,适用于板卡级的模拟、数字电路板的设计。它包含了电路原理图的图 形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。 Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司的EDA工具软件。它不仅具有其 他EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的单片机 及外围器件仿真工具。虽然,目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机 教学的教师,以及单片机开发工作者的青睐。 本章主要讲解使用Multisim进行模拟电路仿真的方法和使用Proteus进行单片机 电路仿真的方法。 5.用Mutsm 进行模拟电路仿真 1 lii 5.1.1 Multisim 的用户界面 Multisim的界面友好、功能强大、易学易用,受到电类设计、开发人员的青睐。 Multisim用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表,将元器件和仪器集合为一体,是原理 图设计、电路测试的虚拟仿真软件。 Muliim来源于加拿大图像交互技术(neatvmaehoois,公司推 tsItrcieIgeTcnlgeIT) 出的以Windows为基础的仿真工具,原名为EWB 。 IT公司于1988年推出了一款用于 电子电路仿真和设计的EDA工具软件ElectronicsWorkBench(电子工作台,EWB),因 界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用而得到迅速地推广和使用。 1996年, IT公司推出了EWB5.0版,0版开始, 从EWB6. IT公司对EWB进行了 较大的变动,名称改为Multisim(多功能仿真软件)。 IT公司后被美国国家仪器公司收 购,软件更名为NIMultisim。Multisim经历了多个版本的升级,已经有Multisim2001 、 Multisim7 、Multisim8 、Multisim9 、Multisim10等版本,从Multisim9开始,增加了单 片机和LabVIEW虚拟仪器的仿真和应用。 下面以Multisim10 为例介绍其基本操作。图5-1是Multisim10 的用户界面,包括 菜单栏、标准工具栏、主工具栏、虚拟仪器工具栏、元器件工具栏、仿真按钮、状态栏、电路 图编辑区等部分。 图5- 1 Multisim10的用户界面 菜单栏与其他Windows应用程序相似,如图5-2所示。 图5- 2 Multisim 的菜单栏 通过“选项”菜单下的“全局设定”和“图纸属性”子菜单项可进行个性化界面设置, Multisim10 提供了两套电气元器件符号标准。 ANSI(美国国家标准学会):美国标准,默认为该标准,本章采用默认设置。 DIN(德国国家标准学会):欧洲标准,与中国标准一致。 工具栏是标准的Windows应用程序风格。 标准工具栏:。 视图工具栏:。 主工具栏及按钮名称如图5-3所示,元器件工具栏及按钮名称如图5-4所示,虚拟仪 器工具栏及仪器名称如图5-5所示。 项目管理器位于Multisim10 工作界面的左半部分,其中的电路以树状展示,主要用 于层次电路的显示,其中的3个标签如下。 层级:对不同电路的分层显示,在工具栏中单击“新建”按钮,将生成Circuit2电路。 127 图5- 3 Multisim 的主工具栏 图5- 4 Multisim 的元器件工具栏 图5- 5 Multisim 的虚拟仪器工具栏 128 可见度:设置是否显示电路的各种参数标识,例如集成电路的引脚名。 项目视图:显示同一电路的不同页。 5.1.2 Multisim 仿真的基本操作 1. 基本操作步骤 (1)建立电路文件。 (2)放置元器件和仪表。 (3)元器件编辑。 (4)连线和进一步调整。 (5)电路仿真。 (6)输出分析结果。 2. 具体操作方法 (1)新建电路文件。具体新建电路文件的方法有如下几种。 ①打开Multisim10 时自动打开空白电路文件Circuit1,保存时可以重新命名。 ②通过File|New菜单选项进行新建。 ③在工具栏中单击New按钮进行新建。 ④通过快捷键Ctrl+N 进行新建。 (2)放置元器件和仪表。 Multisim10 的元件数据库有MasterDatabase(主元件库)、UserDatabase(用户元件 库)和CorporateDatabase(合作元件库), 后两个库由用户或合作人创建,新安装的 Multisim10 中,这两个数据库是空的。 放置元器件的方法有如下几种。 (1)菜单PlaceComponent。 (2)元件工具栏:选中Place|Component。 (3)在绘图区右击,利用快捷菜单进行放置。 (4)按Ctrl+W 组合键。 放置仪表可以单击虚拟仪器工具栏相应按钮,或者使用菜单方式。 下面以晶体管单管共射放大电路中放置12V 电源为例进行介绍。单击元器件工具 栏中的“放置电源”按钮,得到如图5-6所示的界面。 将修改电压值为12V,如图5-7所示。 用同样方式放置接地端和电阻,如图5-8所示。 图5-9为放置了元器件和仪器仪表的效果图,其中左下角是函数发生器,右上角是双 通道示波器。 3. 元器件编辑 (1)元器件参数设置。双击元器件,会弹出相应的对话框,其中包括的选项卡如下。 Laee.e可以修改, 一性。 bl:标签。其中的Rfds编号由系统自动分配, 但必须保证编号的唯 129 图5- 6 电源放置 图5- 7 修改电压源的电压值 Display:显示。 Value:数值。 Fault:故障设置。其中包括Leakage(漏电)、Short(短路)、Open(开路)、None(无故 障)的设置。 Pins:引脚。其中包括各引脚编号、类型、电气状态。 (2)元器件向导(ComponentWizard)。对特殊要求,可以用元器件向导编辑自己的 元器件,一般是在已有元器件基础上进行编辑和修改。方法是选中Tools|Component Wizard菜单选项,按照规定步骤编辑,用元器件向导编辑生成的元器件放置在User 130 图5- 8 放置接地端 图5- 9 放置元器件和仪器仪表 Database(用户数据库)中。 4. 连线 (1)自动连线:单击起始引脚,鼠标指针变为“十”字形,移动鼠标至目标引脚或导线 并单击,完成连线。当导线连接后呈现“丁”字交叉时,系统自动在交叉点放结点 (Junction)。 (2)手动连线:单击起始引脚,鼠标指针变为“十”字形后,在需要拐弯处单击,可以 固定连线的拐弯点,从而设定连线路径。 131 (3)关于交叉点,Multisim10默认“丁”字交叉为导通,“十”字交叉为不导通,对于 “十”字交叉而希望导通的情况,可以分段连线,即先连接起点到交叉点,然后连接交叉点 到终点;也可以在已有连线上添加一个结点,从该结点引出新的连线,添加结点可以使用 Place|Junction菜单选项或者使用Ctrl+J组合键。 5.进一步调整 (1)调整位置。单击选定元件,移动至合适位置。 (2)改变标号。双击进入属性对话框进行更改。 (3)显示结点编号以方便仿真结果输出。选中Options|ShetProperties|Circuit| NetNames|ShowAl 菜单选项。 (4)导线和结点删除。右击,在弹出的快捷菜单中选中Delete菜单项,或者选中导线 或结点后按Delete键。 连线和调整后的电路如图5-10所示,图5-11所示为结点编号选择及进行结点编号 后的电路图。 图5-10 连线和调整后的电路图 6.电路仿真 电路仿真的基本方法如下。 (1)按下仿真开关,电路开始工作,Multisim界面的状态栏右端出现仿真状态指示。 (2)双击虚拟仪器,进行仪器设置,获得仿真结果。 图5-12是示波器界面,双击示波器,进行仪器设置,可以单击Reverse按钮将其背景 反色,使用两个测量标尺,显示区给出对应时间及该时间的电压波形幅值,也可以用测量 标尺测量信号周期。 132 图5-11 电路图的结点编号显示 133 134 图5-12 示波器界面以及将背景反色后的界面 7. 输出分析结果 使用Simulate|Analyses菜单选项后的输出分析结果如图5-13 所示。以上述单管共 射放大电路的静态工作点分析为例,步骤如下: 图5-13 静态工作点分析 (1)选中Simulate|Analyses|DCOperatingPoint菜单选项。 (2)选择输出结点1、4、5,单击ADD 、Simulate。 5.1.3 二极管参数测试仿真实验 半导体二极管是由PN 结构成的一种非线性元件。典型的二极管伏安特性曲线可分 为4个区:死区、正向导通区、反向截止区和反向击穿区。二极管具有单向导电性和稳压 特性,利用这些特性可以构成整流、限幅、钳位、稳压等功能电路。 半导体二极管正向特性测试电路如图5-14 所示。表5-1是正向测试的数据,从仿真 数据可以看出,二极管电阻值Rd 不是固定值,当二极管两端正向电压小时,处于“死区”, 正向电阻很大、正向电流很小,当二极管两端正向电压超过死区电压时,正向电流急剧增 加,正向电阻迅速减小,处于正向导通区。 图5-14 二极管正向特性测试电路 135