Multisim仿真在阻容耦合放大电路中的探索应用

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Multisim 10与Protel相比具有更加形象直观的人机交互界面。阻容耦合两级放大电路是模拟电路中比较经典的电路，文章采用实验法，借助Multisim 10仿真平台，分析阻容耦合两级放大电路静态工作点和动态参数，将实际焊接测量的数据与仿真结果对比，探索电路最大不失真波形的特点，这在实际设计电路时具有深远的现实意义。
       
        0引言
       
        近年来，电子技术的发展日新月异，随着计算机技术的迅速发展，EDA技术促进了电子线路的设计和应用。本文借助Multisim 10的仿真平台，采用实验法，分析了阻容耦合两级放大电路静态工作点和动态参数，将实际焊接测量的数据与仿真结果对比，探索电路最大不失真波形的特点，这在实际设计电路时具有深远的现实意义。
       
        1 Multisim仿真软件与特点
       
        Multisim软件是加拿大图像交互技术公司IIT公司推出的专门用于电路仿真和设计的电子设计自动化软件。其前身是电子工作平台EWB，从EWB6.0版本开始，公司对软件做了大规模的改动，升级后软件功能更为强大，被美国NI公司收购后，更名为NI Multisim，而V10.0是其（即NI公司）最新推出的Multisim新版本。相对于Protel等其它EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果。
       
        2 Multisim仿真阻容耦合两级放大电路
       
        2.1理论分析
       
        单级放大电路的电压放大倍数一般只能达到几十至几百倍，要将输入的微弱信号放大到能推动负载工作的程度，往往要通过多个单级放大电路连续多次地放大。因此，实用放大电路通常是由两级或两级以上单级基本放大电路组成的。
       
        阻容耦合是将前级与后级之间通过电容相连，所以各级的直流电路互不相通，每一级的静态工作点都相互独立、互不影响。这样就给分析、设计和调试带来了很大的方便。而且，只要耦合电容选得足够大，就可以做到前一级的输出信号在一定的频率范围内几乎不衰减地加到后一级的输入端上，使信号得到了充分的利用。
       
        2.2实践与仿真分析
       
        如图1所示，阻容耦合两级放大电路焊接实物图，使用信号发生器通入1kHz、5mV的正弦信号，在示波器观察不失真放大情况下用万用表测试两级放大电路的静态工作情况，用示波器观察最大不失真放大波形，使用晶体管毫伏表测量两级放大的电压放大倍数。
       
       
        图1 印刷电路板焊接图
       
        将元器件按照电路图搭建，将虚拟信号发生器、示波器连线后调节到适合的档位。图2所示是阻容耦合两级放大仿真的电路图。
       
       
        图2 阻容耦合两级放大仿真电路图
       
        启动DC Operating Point Analysis，添加要分析的节点，点击Simulate，分析结果如图3所示。由各点的电压值可以判断晶体管工作在放大区。
       
       
        图3 直流工作点仿真图
       
        由表1得出测量静态工作点的目的是检测晶体管的工作状态，从仿真测量值看，虽然理论值与测量值有一定的误差，但是还是能正确地分析得出该放大电路处于正常放大工作状态。
       
       
       
        为了得到最佳放大效果，应将静态工作点调在交流负载线的中点位置。为此在放大器正常工作情况下，逐渐增大输入信号的幅度，用示波器观察输出电压，当输出波形同时出现削底和缩顶现象时，说明静态工作点已调至交流负载线的中点位置。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真的时候，然后用交流毫伏表测出U0有效值。
       
        逐渐增大信号发生器的输入电压，观察示波器使第一级和第二级输出波形达到最大不失真，这是本次实验的难点，需要熟练使用信号发生器、示波器等仪器，并且对于最常见的三种失真类型：饱和失真、截至失真、削波失真有清晰的了解。经过实践操作，当输入电压为10mV时，波形达到最大不失真情况。学生观察波形后可以发现：采用多级电路以后能使电路输入信号获得比较大的放大，但不足之处是随着级数增多，输出的波形容易产生失真，需要反复调试体会。如图4和图5为实际示波器测量出的第一级和两级放大后的波形波形。
       
       
        图4 示波器测得的第一级放大波形
       
       
        图5 示波器测得的第二级放大波形
         
       
        图6所示为仿真出的、当输入电压为10mV、波形为最大不失真时的第一级放大的波形。
       
       
        图6 仿真的第二级放大波形
       
        根据电压放大倍数定义：Au=u0/ui，有：u0=Au2ui2=Au2u01，而u01=Au1ui，
       
        故：：u0=Au1Au2ui，即Au=u0/ui=Au1Au2，因此可推广到n级放大电路的电压放大倍数为：Au=Au1Au2…Aun
       
        得到如图7所示的输入和输出的波形，输入波形为正弦波在A通道电压峰峰值：
       
        -6.607mV，输出波形为明显放大的正弦波在B通道电压峰峰值-1.446V，就是经过放大器放大以后输出的信号幅值。
       
       
        图7 所示的输入和输出两级放大仿真图
       
        该放大电路电压的两级放大倍数
       
       
        将测量的电压放大倍数为值的219倍和仿真值的216倍相比，在误差允许的范围内。
       
        3结束语
       
        识别电路板中各部分元件，熟悉电路模型，将课堂教学、仿真实验中的抽象符号电路具体化、实物化，再由具体到抽象的过程是认知的第二个飞跃。运用Multisim软件展开实验教学，通过操作的实践与仿真的数据分析，知识在实践中传递，实践将理论实体化，理论和实践得到有机结合，是提高电子技术教学的强大武器。