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EDA技術發展迅猛，已在科研、產品設計與制造及教學等各方面都發揮著巨火的作用。EDA代表了當今電子產品設計的最新發展方向，利用EDA工具，電子工程師不僅可以在計算機上設計電子產品，還可以將電子產品從電路設計、模擬實驗、性能分忻、到設計出PCB印制板的整個過程在計算機上處理完成。在教學方面，幾乎所有理工科的高校都開設了EDA課程，學生通過EDA的學習演練，掌握用EDA技術進行電子電路的設計、《電子技術基礎》課程的模擬仿真實驗，從而為今后從事電子技術設計工作打下基礎。 Multisim2001是電子電路設計與仿真方面的EDA軟件。由于Multisim2001的最強大功能是用于電路的設計與仿真，因此稱這種軟件叫做虛擬電子實驗室或電子工作平臺。在任一臺計算機上，利用Multisim2001均可以創建《電子技術基礎》虛擬實驗室，從而改變傳統的教學模式，學生可把學到的《電子技術基礎》知識，應用Multisim2001電路仿真軟件進行驗證。例如串聯型直流穩壓電源的設計，該系統是由整流、濾波和穩壓三部分組成，橋式整流電路加上電容濾波后，使輸出的波形更平滑，穩壓部分，一般有四個環節：調整環節、基準電壓、比較放大器和取樣電路。當電網電壓或負載變動引起輸出電壓Uo變化時，取樣電路將輸出電壓Uo的一部分饋送給比較放大器與基準電壓進行比較，產生的誤差電壓經放大后去控制調整管的基極電流，自動地改變調整管的集一射極間電壓，補償Uo的變化，從而維持輸出電壓慕本不變。 1. 直流穩壓電源設計 設計并制作串聯型直流穩壓電源，其輸出電壓UO=10V，輸出調整范圍為8～12V，額定輸出電流IL=100 mA，電網電源波動±10％，穩壓系數Sr<0.05，輸出電阻RO=0.05。工作溫度為25～40℃。 1.1 初選電路 根據設計題目要求，輸出電流為100mA較大，所以選用由兩個三極管組成的復合管，從穩壓調節范圍考慮，選擇帶有可變電阻器的取樣電路，由此初選一個電路原理圖如圖1，通過參數計算和仿真測試，再重新考慮所選電路，使之滿足要求。最后在調試過程中進一步確定電路及元件參數。 1.2 元件參數選擇 1.2.1 整流濾波電路 采用橋式整流，電容濾波電路。為了保證調整管始終工作在放大區，需要有一定的管壓降，根據計算得出U1=15V。考慮到IL=100mA，加上通過R6、穩壓管VZ的電流(取10mA)，取樣電路的電流(取20mA)。經過整流二極管的電流ID=130mA。在實際電路中根據計算出的U1和ID來選取整流二極管，本例中選取3N259，濾波電容選取470μF／30V。 1.2.2 調整部分 調整管V1的選取原則是工作可靠。根據BUCEO≥UOMAX，ICM≥1.5IOM，選取V1為2N6703。 1.2.3 基準電壓 選擇原則是使取樣電壓盡可能高一些，以更好地反映Uo的變化，一般取分壓比為(0.5～0.8)，穩壓值在6V左右較好。所以選取穩壓值為6.2V，型號為IN4735A的穩壓管。 1.2.4 放大電路和取樣電路 選擇放大電路參數的原則是保證在電網電壓或負載電流變化時放大電路都應工作在放大區并且盡量提高放大倍數，以滿足穩壓精度的要求。這里選取2N2222。 取樣電路，為了提高穩定性，要使通過取樣電阻R7、RP、R8的電流比V4基極電流大得多，這樣才能保證分壓比的要求。但是電流太大時，取樣電阻上的損耗也大，這里取電流為20mA。根據計算選取R7=100Ω，R8=200Ω，RP=220Ω。 2. 編輯電路原理圖 2.1 放置元器件 在Windows桌面上，雙擊Multisim2001圖標進入程序主窗口，主窗口中最大的區域是電路工作區，在此可對電路原理圖進行編輯和測試。首先，將初選電路原理圖中的所有元器件，分類從元器件庫中調出來。方法是在元器件庫工具欄中，單擊包含該元器件的圖標，打開該元器件庫，從元器件庫中將該元器件拖拽至電路工作區。例如：放置V1，單擊三極管元器件庫圖標，打開Transistors三極管元器件庫，三極管圖標下的底紋有灰色和綠色，灰色是表示現實中存在的元器件，綠色表示在現實中不存在，是虛擬元器件。單擊灰色底紋的NPN型三極管，打開ComponentBrowser對話框，選擇2N6703，單擊OK，移動鼠標到合適位置，單擊鼠標放下三極管。元器件方向不合適，在其上右鍵單擊，出現快捷菜單，在菜單上根據需要選擇鏡像、旋轉……。元器件V1需要執行90CounterCW命令，逆時針旋轉90°。到此為止，元器件V1放置完畢。利用此方法依次放置所有元器件。元器件放置完后，要精心布局元器件的放置位置，以確保元器件分布合理、美觀。 2.2 導線的連接 元器件放置完畢后，進行連線，按照原理圖，將鼠標指向元器件的管腳使其出現實心小十字，按下鼠標左鍵，拖拽出一根導線并連接至相關元器件的管腳，同樣方法，正確完成所有導線的連接。至此原理圖編輯完成，如圖1所示。 2.3 儀器的調入 選用儀器可從儀器庫中將相應的儀器圖標拖拽至電路工作區，儀器圖標上有連接端，用于將儀器連入電路，如圖1所示。本例中使用了萬用表、示波器。萬用表有兩個輸入端，示波器共有4個接線端(A通道端、B通道端、T觸發端、G接地端)。需要觀察測試波形時，可以雙擊儀器圖標打開儀器面板，如圖2(a)，示波器顯示的是橋式整流后沒有濾波的波形，圖2(b)萬用表顯示的是輸出UO的數值。儀器的使用方法和實際儀器基本相同，萬用表的使用方法，首先要根據被測兩點的實際情況，用鼠標選擇測量直流-還是交流～，然屙選抒測量電壓V、電流I或電阻R。示波器的使用方法，首先選擇工作模式Y／T，然后選擇A、B通道的輸入耦合開關，是直流DC、交流AC還是接地零。 3. 電路的仿真分析 3.1 仿真步驟 仿真分析開始前可雙擊儀器圖標打開儀器面板。準備觀察被測試波形。按下程序窗口右上角的啟動／停止開關狀態為1，仿真分析開始。若再次按下，啟動／停止升關狀態為0，仿真分析停止。電路啟動后，需要調整示波器的時基和通道控制，使波形顯示正常。仿真后的的儀器工作狀態如圖3所示。 3.2 仿真輸出結果 3.2.1 整流濾波 在輸入端加人幅度U1=15V，頻率為50Hz的交流電壓，RL=100Ω，可用Multisim2001電子工作臺上提供的萬用表、示波器觀察濾波電路輸出結果。這時調節RP，使輸出UO在10V左右，從圖3中可以看到用萬用表測量出關鍵點的電壓U1=14.998V，UI=18.381V，UO=10.156V，用示波器A通道和B通道分別顯示整流濾波后電壓UI的波形和穩壓輸出電壓Uo的波形，從示波器顯示窗口可以看山：上面一條鋸齒波曲線為UI波形，下面一條線為Uo波形。 3.2.2 穩壓電路 模擬交流電網波動±10％分別為13.5V和16.5V，頻率為50Hz交流電壓時的情況。首先改變輸入電壓信號，模擬電網波動，用Multi-sim2001工作平臺操作比較簡單，只需用鼠標對準電壓源雙擊，根據屏幕顯示將其由15 V，分別改變為13.5V、16.5V，這時測量的對應的UI分別為16.280V和20.406V，輸出電壓UO為10.133V和10.181V。 3.2.3 過流保護電路 當U1=15V，頻率為50Hz，分別改變RL。 當RL=∞，Uo=10.160V； 當RL=100Ω，IL=101.816mA，Uo=10.156V； 當RL=10Ω，IL=160.075mA，Uo=1.601V； 當RL=5.1Ω，IL=158.433mA，Uo=808.005mV， 當當負載短路時，IL=156.741mA，Uo=156.74lpV。 從測量的數據看，本電路是一個限流型保護電路。 4. 與設計指標比較校核 4.1 輸出電壓 理論計算Uo=(R7′+R8′)(Vz+Ube4)／R8=10.196V。式中R7′=R7+RP′=265Ω，R8′=R8+RP″=255Ω，VZ=4.3V，Ube4=0.7V。式中RP′是RP的上半部分阻值，RP″是RP的下半部分阻值。用Multisim2001模擬仿真。使用萬用表實測輸出電壓為Uo=10.160V，測量穩壓電源輸出電壓Uo調節范圍當U1=15V，頻率為50Hz，調節RP，即當鍵盤字母為小寫狀態，連續按下A鍵，電位器滑動頭向下移動，直至最下端，這時測量Uo=13.29V：反之，當鍵盤字母為大寫狀態，連續按下A鍵，電位器滑動頭向上移動，直至最上端，這時測量Uo=6.064V。 4.2 穩壓系數Sr理論值的計算 式中β4取值30，[rbe4+(1+β4)rz]取值1K， 4.3 輸出電阻 用Multisim2001模擬仿真測量的數據：當RL=∞， UO=10.160V； 當 RL=100Ω，IL=101.816mA，Uo=10.156V；計算得出： 通過以上分析，串聯型直流穩壓電源的測量值和理論計算相符。實際線路滿足設計指標要求。如果以上設計的電路通過模擬仿真分析，不符合設計要求，可通過逐漸改變元器件參數，或更改元器件型號，使設計符合要求，最終確定出元器件參數。并可對更改的電路立即進行仿真分析，觀察虛擬結果是否滿足設計要求，這在實際的電路板中是難以做到的。 5. 結束語 從上述例子可見，是一個開放的虛擬電子實驗平臺。既有它的優越性，又有它的局限件。設計人員可以做各種類型的電子線路實驗和實際電子產品設計，但不能完全取代最終電路和實物測試，因為實際電子線路，干擾現象是一個不好解決的難題，特別是高頻電路。之所以用Multi-sim2001模擬仿真，就是在制成實際電路之前能夠保證電路有大致正確的參數屬性，從而減少設計中不必要的彎路。在《電子技術基礎》教學中，運用Multisim2001電路仿真軟件進行教學，一方面可以驗證理論知識，另一方面還可以設置一些故障，例如串聯型直流穩壓電源中，調整管V1的c-e極斷路。先提問學生從理論上分析會出現什么問題，然后讓學生應用仿真軟件進行仿真，來驗證結果，從而拓展學生思維，進一步促進《電子技術基礎》的教學。因而我們可以看到，對于工程技術人員，合理運用Multisim2001電路仿真軟件，可以節省大量人力、物力，縮短設計周期；對于教師教學，能夠理論聯系實際，強化學生實踐能力，培養出實用型人才。 |
