电工电子技术仿真实验教材

电工电子技术仿真实验教材
南京航空航天大学自动化学院
2009.11
第一章 Multisim软件简介
§1-1 Multisim软件简介
Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics，简称IIT公司)推出的用于电路仿真与设计的EDA软件。

Multisim具有强大的仿真分析功能，能够进行电路设计、电路功能测试的虚拟仿真。

Multisim软件的虚拟测试仪器外表种类齐全，有一样实验室所用的通用仪器，如直流电源、函数信号发生器、万用表、双踪示波器，还有一样实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。

该软件的元器件库中有数以万计的电路元器件供实验选用，不仅提供了元器件的理想模型，还提供了元器件的实际模型，同时还能够新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数能够从生产厂商的产品使用手册中查到，与生产实际紧密相联，能够专门方便地用于实际的工程设计。

该软件能够对被仿确实电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观看不同故障情形下的电路工作状况。

在进行仿确实同时，该软件还能够储备测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及储备测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等；该软件还具有多种电路分析功能，如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、失真分析、噪声分析、直流扫描分析、参数扫描分析等，便于设计人员对电路的性能进行推算、判定和验证。

较之于传统的实物实验，基于Multisim 软件的仿真实验要紧有以下特点：1．设计和实验用的元器件及测试仪器外表齐全，能够克服传统实验室的各种条件限制，完成各种类型的电路设计与实验。

2．实验成本低，实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制。

有些实验设备价格昂贵，使用复杂，在一样传统实验室里专门难为学生提供使用机会，而在虚拟实验室里则可轻而易举地解决那个难题，让学生为所欲为地调用各种实验设备。

从而能够克服因经费不足造成对实验的制约。

3．实验效率高。

在仿真实验中，能够克服采纳传统实验方式进行实验时所遇到的诸多因素的干扰和阻碍，例如可不能因为实验设备的损坏、接触不良而阻碍实验的正常进行，从而使实验结果更好地反映出实验的本质过程，更加快捷、准确。

4．分析方法多，能够完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，能够快速、轻松、高效地对电路参数进行测试和分析，使设计与实验能够同步进行，能够边设计边实验，修改
调试方便。

还可直截了当打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图。

这些差不多上传统实验方式无法比拟的。

运用Multisim软件进行运算机仿真实验，能够专门好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。

学生能够专门方便、快捷地把刚刚学到的理论知识用运算机仿真真实地再现出来，不仅能够克服传统实验室各种条件的限制，还能够针对不同的目的，例如针对验证、测试、设计、纠错、创新等目的进行训练，极大地提高了学生的学习热情和积极性。

真正的做到了变被动学习为主动学习，使学生的分析、应用、设计和创新能力显著提高。

Multisim的工作界面专门直观，形象逼真，只要稍加学习就能够较熟练地使用该软件。

本书以Multisim 9为例介绍Multisim软件的使用方法。

§1-2 Multisim的主窗口界面
启动Multisim 9软件后，屏幕上将显现Multisim 9 软件的主窗口界面。

Multisim9的主窗口界面要紧由标题栏、菜单栏、系统工具栏、设计工具栏、使用中的元件清单、仿真开关、元件工具栏、外表工具栏、电路窗口、状态栏等几个部分组成。

一、Multisim 9的主窗口界面
图1-1 Multisim 9的主窗口界面
1、菜单栏
标题栏位于主窗口的最上部，显示当前运行的软件名称。

标题栏的下面是菜
单栏，通过菜单能够对Multisim的所有功能进行操作。

不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项，如File（文件菜单）、Edit （编辑菜单）、View（视图菜单）、Help（关心菜单）等。

此外，还有一些EDA 软件专用的选项，如Place（放置菜单），Simulate（仿真菜单），Transfer（文件输出菜单）、Options（选项菜单）等，如图1-2。

图1-2 菜单栏
以下分别介绍菜单栏中各栏目的子项目。

File菜单中包含了对文件和项目的差不多治理和打印等命令：
New：建立一个新文件。

Open：打开一个文件。

Close：关闭当前文件。

Save：储存当前文件。

Save As：将当前文件另存为。

New Project：建立一个新项目。

Open Project：打开一个项目。

Save Project：储存当前项目。

Close Project：关闭当前项目。

Print Setup：打印设置。

Print Circuit Setup：打印电路图设置。

Print Instruments：打印当前文件中的外表波形图。

Print Preview：打印预览。

Print：打印。

Recent Files：最近几次打开过的文件。

Recent Project：最近几次打开过的项目。

Exit：退出Multisim。

Edit菜单中包含了对电路图进行编辑的命令：
Undo：撤消操作。

Redo：不撤消操作。

Cut：剪切。

Copy：复制。

Paste：粘贴。

Paste Special：粘贴所选择内容。

Delete：删除。

Delete Multi-Page：删除多页。

Select All：全选。

Find：查找。

Flip Horizontal：将所选的元件水平翻转。

Flip Vertical：将所选的元件垂直翻转。

90 ClockWise：将所选的元件顺时针90度旋转。

90 ClockWiseCW：将所选的元件逆时针90度旋转。

Component Properties：打开所选的元件属性对话框。

View菜单中包含了确定使用软件时的视图以及对一些工具栏和窗口进行操纵的命令：
Toolbars：显示各种工具栏。

Show Grid：显示网格。

Show Page Bounds：显示页
边界。

Show Title Block：显示图明细表。

Show Border：显示图框。

Show Ruler Bars：显示标尺。

Zoom In：放大显示。

Zoom Out：缩小显示。

Zoom Area：以100%的比率来显示。

Zoom Full：全部显示。

Grapher：打开仿真结果的图形显示窗口。

Hierarchy：层次。

Circuit Description Box：打开电路描述窗口。

Place菜单中包含了在电路窗口内放置元件、连接点、总线和文字等命令：Component：放置一个元件。

Junction：放置一个节点。

Bus：放置一根总线。

Bus Vector Connect：总线矢量连接。

HB/SB Connector：放置HB/SB连接器。

Hierarchical Block：放置层次模块。

Create New Hierarchical Block：新建层次模块。

Subcircuit：新建子电路。

Replace by Subcircuit：用一个子电路替代。

Off-Page Connector：Off-Page连接器。

Multi-Page：多页设置。

Graphics：制图Title Block：放置标题块。

Simulate菜单中包含了电路仿真设置与操作命令：
Run：执行仿真。

Pause：暂停仿真。

Instruments：选择外表。

Default Instrument Settings：打开预置外表设置对话框，设置外表的预置值。

Digital Simulation Settings：设定数字仿真参数。

Analyses：选择仿真分析方法。

Postprocess：打开后处理器对话框。

Simulation Error Log/Audit Trail：电路仿真错误记录/检查数据跟踪。

XSpice Command Line Interface：打开XSpice命令行界面。

VHDL Simulation：进行VHDL仿真。

Verilog HDL Simulation：进行Verilog HDL仿真。

Auto Fault Option：自动设置电路故障。

Global Component Tolerances：设置全部元件的容差。

Transfer菜单包含了将仿真结果用其它EDA软件需要的文件格式输出的命令：Transfer to Ultiboard V7：转换为Ultiboard V7（Multisim中的电路板设计软件）的文件格式。

Transfer to Ultiboard 2001：转换为Ultiboard 2001的文件格式。

Transfer to other PCB Layout：转换为其他电路板设计软件所支持的文件格式。

Forward Annotate to Ultiboard V7：建立Ultiboard V7注释文件。

Backannotate from Ultiboard V7：将Ultiboard V7注释文件传入到当前文件中。

Highlight selection in Ultiboard V7：加亮所选择区域。

Export Simulation Results to MathCAD：将仿真结果输出到MathCAD。

Export Simulation Results to Excel：将仿真结果输出到Excel。

Export Netlist：输出电路网表文件。

Tools菜单中包含了编辑与治理元器件和元件库的命令：
Database Management：启动元器件数据库治理器，进行数据库的编辑治理工作。

Symbol Editor：打开符号编辑器。

Component Wizard：打开元件编辑器。

555 Timer Wizard：555定时器编辑。

Filter Wizard：滤波器编辑。

Electrical Rules Check：电气规则测试。

Renumber Components：元件重命名。

Replace Components：替代元件。

Update HB/SB Symbols：升级HB/SB符号。

Convert V6 Database：V6数据转换。

Modify Title Block Data：更换标题块数据。

Title Block Data：标题块编辑。

Reports菜单中包含了产生当前电路的各种报告的命令：
Bill of Materials：材料清单。

Component Detail Report：元器件详细参数报告。

Netlist Report：电路网表报告。

Schematic Statistics：简要统计报告。

Spare Gates Report：未用元件门统计报告。

Cross Reference Report：元件交叉参照表。

Options菜单中包含了定制电路的界面和电路的某些功能的设定命令：Preferences：打开参数选择对话框，进行参数设置。

Customize：常规命令设置。

Global Restrictions：软件限制设置。

Circuit Restrictions：电路限制设置。

Simplified Version：简化版本。

Window菜单中包含了操纵窗口显示的命令，并列出所有被打开的文件。

Cascade：层叠窗口。

Tile：平铺窗口。

Arrange Icons：重新排列图标。

2、设计工具栏
设计工具栏是Multisim的核心栏，通过对该工具栏按钮的操作能够完成对电路从设计到分析的全部工作，如图1-3
图1-3 设计工具栏
图3中红线框内的按钮自左向右依次为：
设计项目栏按钮：用于显示或隐藏设计项目栏。

电子数据表按钮：用于显示或隐藏电路的电子数据表。

元器件数据库按钮：用于启动元器件数据库治理器，进行元器件的编辑治理工作。

元件编辑器按钮：打开新建元件对话框，用于调整或新建元件。

仿真按钮：用于执行或停止仿真。

图形编辑器按钮：用于显示仿真分析的图形结果。

分析按钮：用于选择要进行的分析方法。

后分析按钮：用于进行对仿真结果的进一步操作。

3、使用中的元件清单
在使用中的元件清单中列出了当前电路所使用的全部元件，以便检查和重复调用，如图1-4。

图1-4 在用元件
4、元件工具栏
Multisim 9为用户提供了丰富的元件，用户能够方便地从元件工具栏中提取。

通常将元件工具栏放在主窗口的左边，也能够用鼠标将元件工具栏拖拽到任意位置，并让其横向放置。

元件工具栏上的每一个按钮都对应一个元器件库，每个器件库就像是一个元件箱，里面放置着同一类型的元件。

只要用鼠标单击元件工具栏上的按钮便可打开它所对应的元器件库，从中提取元件。

元件工具栏中的按钮对应的元器件库从上到下依次是：电源库、差不多元件库、二极管库、晶体管库、模拟元件库、TTL元器件库、COMS元器件库、其它数字元器件库、模数混合元器件库、指示器件库、其他器件库、射频器件库、电机类器件库、放置层次模块、放置总线、链接教育网站、链接EDAparts 网站，如图1-5。

图1-5 元件工具栏
5、虚拟元件工具栏
在Multisim不仅为用户提供实际元器件，还提供虚拟元器件。

它们之间的区别在于：实际元器件是与生产实际中真实的元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅能够使设计仿真与实际情形有良好的对应性，还能够直截了当将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。

而虚拟元器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户能够依照需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真。

通常将虚似元件工具栏与实际元件工具栏并排排列在主窗口的左边。

在元件工具栏中，尽管代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟元器件的按钮有底色，而实际元器件的按钮没有底色。

其按钮从上到下依次是：电源、信号源元器件、差不多元件、二极管、FET元器件、模拟元件、其他虚拟器件、虚拟定值元器件、3D元器件、测量元器件，如图1-6。

图1-6 虚拟元件工具栏
6、外表工具栏
外表工具栏中放置了Multisim为用户提
供的虚拟仪器外表，这些虚拟仪器外表的外
形、面板设计和操作方法都与实际仪器专门相
似，用户能够方便、快捷地选择自己需要的
仪器对电路进行测试。

通常将外表工具栏放
在主窗口的右边。

其按钮对应的虚拟仪器从
上到下依次是：依次为数字万用表、函数信
号发生器、功率表、双通道示波器、四通道
示波器、波特图仪、频率计、数字信号发生
器、逻辑分析仪、逻辑转换器、IV分析仪、
失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、
Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent
示波器、实时测量探针，如图1-7。

图1-7 外表工具栏§1-3 Multisim的使用入门
一、差不多设置
在做仿真实验之前，能够依照自己的需求和适应对Multisim 9的界面进行一番设置。

具体做法是：执行Options菜单中的Preferences命令，打开Preferences 对话框，如图1-8。

图1-8 Preferences对话框
通过该对话框的标签选项，用户能够对界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动储备时刻等内容作相应的设置。

例如，要进行欧、美的元件符号系统转换。

在Symbol standard区内，Multisim 9提供了两种电气元器件符号标准，一种是ANSI（美国标准），另一种是DIN（欧洲标准）。

DIN与我国现行的标准比较接近，因此建议最好选择DIN。

二、建立电路文件
启动Multisim后，会自动建立一个默认文件名为“Circuit l”的电路文件。

单击系统工具栏中的储存按钮（或执行File菜单中的Save命令），假如是第一次储存文件，将打开“另存为”对话框，在对话框中输入文件名，并选择储备路径，单击“储存”按钮即可。

假如还想另外再创建一个新文件，则单击系统工具栏中的新建按钮（或执行File菜单中的New命令），就能够再建立一个新文件。

三、放置元器件及仪器外表
Multisim 为用户提供了丰富的元件和虚拟仪器外表，用户能够方便地从各个工具栏中调用。

元件工具栏通常放在主窗口的左边，外表工具栏通常放在主窗口的右边。

假如看不见工具栏，可执行View菜单中的Toolbars命令选择需要显示各个工具栏。

元件工具栏上的每一个按钮都对应一个元器件库，每个元器件库就像是一个
元件箱，里面放置着同一类型的元件。

只要用鼠标单击元件工具栏上的按钮便可打开它所对应的元器件库，从中提取元件。

假如不明白要提取的元件属于哪个元器件库，也能够执行Place菜单中的Component命令来放置元件。

假如放置虚拟元件且需要改变元件参数，则用鼠标双击该电阻元件，打开其属性对话框，如图所示。

选择Value页，进行参数值的设置。

四、将元器件连接成电路
把电路需要的元器件放置在电路窗口后，用鼠标就能够方便地将元器件连接起来。

具体操作方法是：
1．元件与元件之间的连接：把鼠标指针移到要连接的元件的一个引脚处，等鼠标指针自动变为一个带十字的小圆点时，单击鼠标，连出一根线。

接着移动鼠标到另一个元件的引脚处，再单击鼠标，两元件之间的连接就完成了。

假如想操纵连线的形状，可在移动鼠标的过程中，在连线的拐弯处单击一下鼠标，以固定连线的位置。

2．元件与导线中间的连接：把鼠标指针移到要连接的元件的一个引脚，等鼠标指针自动变为一个带十字的小圆点时，单击鼠标。

接着移动鼠标到要连接的导线上，再单击鼠标，元件与导线中间的连接就完成了，同时系统会自动在两根导线的连接处放置一个连接点。

3．改变导线和连接点的颜色：将鼠标指针移到该导线上，点击鼠标右键，弹出快捷菜单，选择菜单中的Color命令，打开Colors对话框，点击想要的颜色，然后单击“OK”按钮即可。

4．移动导线：用鼠标单击该导线，使该导线处于被选中状态，将鼠标指针移到该导线或导线的小方块上，按下鼠标左键不放，拖动鼠标，便可将导线拖拽到所需位置。

5．删除导线和连接点：用鼠标单击要删除的导线，按Delete键，即可删除该导线。

假如要删除某连接点，则用鼠标单击需删除的连接点，使该连接点处于被选中状态，按Delete键即可删除该连接点。

五、运行仿真、进行仿真分析
连接好电路后，用鼠标单击仿真开关，便可运行仿真。

假如需要暂停仿真，则单击暂停按钮，便可暂停仿真。

假如需要停止仿真，则用鼠标单击仿真开关即可。

单击设计工具栏中的分析按钮（或执行Simulate菜单中的Analyses命令），便可选择仿真分析方法，对电路进行各种仿真分析。

六、注意事项
1．Multisim软件中的有些元器件符号、单位等与我国现行的标准存在差异。

例如，电阻的单位“Ω”在Multisim中用“ohm”表示，电容的单位“μF”在Multisim 中用“uF”表示等。

2．每一个电路中必须有一个接地端，假如一个电路中没有接地端，通常不能有效地进行仿真分析。

3．为了确定线路连接是否可靠，可略微移动一下与连接点相连的元件，查看是否有“虚焊”现象。

4．假如两根交叉的导线在交叉处没有连接点，则表示这两根导线在交叉处不相连接。

5．为了幸免由于突然断电等缘故造成不必要的缺失，在建立电路过程中，每进行一步操作后，都要单击系统工具栏中的储存按钮（或执行File菜单中的Save命令）储存电路文件。

6．在运行仿真时，通常不承诺改接电路。

第二章电工技术仿真实验
§2-1 采纳虚拟仪器测量电位和电压
一、实验目的
1．学习设置Multisim 9的界面。

2．学习建立电路文件。

2．学习电路元件的放置、元件参数的设置，熟悉元件的旋转、改变颜色、改变标识、移动、删除等操作。

3．把握虚拟电压表、电流表、实时测量探针的使用方法。

4．熟悉连接电路元件、设置导线和节点的颜色、移动导线和节点、删除导线和节点等操作。

5．验证电路中电位的相对性、电压的绝对性。

加强对电位、电压关系的明白得。

6．验证电路中等电位点的特性。

二、实验设备
1．直流电压源2台
2．直流电压表1块
3．直流电流表1块
4．实时测量探针1只
5．滑动变阻器1个
6．电阻2个
三、实验内容与步骤
1、打开Preferences对话框。

选择Circuit标签，打开Circuit页，在Show区中的Show node names选项栏前面打上“√”，显示电路连接点的编号。

2、选择Component Bin标签，打开Component Bin页。

3、在Symbol standard区内，选择DIN（欧洲标准），然后单击“OK”按钮。

4、单击系统工具栏中的储存按钮
5、在对话框中输入文件名“采纳虚拟仪器测量电位和电压”，并选择储备路径，单击“储存”按钮。

6、在电路窗口中建立如图2-1示电路。

图2-1 测量电位和电压电路
7、双击电路中的滑线变阻器R3，弹出其属性对话框。

8、选择Value页，在Key栏中输入A，在Increment栏中输入1。

这表示每按一次A键，滑动点右边的电阻所占百分比增大1%。

这相当于滑动变阻器的滑动触头向左移动；按shift+A，滑动点右边的电阻所占百分比减小1%，这相当于滑动变阻器的滑动触头向右移动。

并设置R3的电阻值为500 ohm，然后单击“确定”按钮。

9、单击仿真开关。

10、将实时测量探针的探头移到电路的各点上，测出各点的电位，并运算三个电阻的电压。

11、测量完毕后，再单击实时测量探针按钮，放回实时测量探针。

12、单击仿真开关，停止仿真。

13、改选节点6为参考点，将接地端改接到节点6的位置上。

16、单击仿真开关。

17、用实时测量探针测出各点的电位，并运算三个电阻的电压。

18、反复按A键和shift+A键，移动滑动变阻器的滑动触头，观看电压表的读数变化。

当电压表的读数近似为零时，说明电压表两端的两个节点的电位相等，是等电位点。

19、单击仿真开关，停止仿真。

20、取下电压表，用一根导线将两个等电位点连接起来。

21、单击仿真开关。

22、记录电流表的读数，并用实时测量探针测出各点的电位，运算三个电阻的电压。

四、实验注意事项
1．在建立电路过程中，每进行一步操作后，都要单击系统工具栏中的储存按钮（或执行File菜单中的Save命令）储存电路文件，以幸免由于突然断电等缘故造成不必要的缺失。

2．在Multisim中用“ohm”表示电阻的单位“Ω”。

3．在连接电路时，可略微移动一下与连接点相连的元件，查看是否有“虚焊”现象。

专门要注意接地端的连接，假如一个电路没有连接上接地端，通常不能有效地进行仿真。

4．要等电路达到稳固后，再读取电流表、电压表的读数。

5．在运行仿真时，不承诺改接电路。

五、实验总结与分析
1．分析参考点改变时，电路中各点的电位和两点间的电压的改变情形。

2．分析将两个等电位点之间用导线短接时，对其他支路的阻碍情形。

3．总结电路中电位与电压的区别与联系。

4．总结使用Multisim软件进行仿真实验的操作体会。

六、摸索题
试用Multisim软件的电压表、电流表测量如图2-2所示电路中各支路的电流和各支路的电压，验证基尔霍夫定律。

分别以a点、b点为参考点，用实时测量探针测量出电路中各点的电位。

图2-2 直流电路
§2-2 叠加定理的验证
一、实验目的
1．通过仿真实验验证叠加定理。

2．把握虚拟电压表、电流表、单刀双掷开关的使用方法。

二、实验设备
1．直流电压源2台
2．直流电压表1块
3．直流电流表2块
4．电阻5个
5．单刀双掷开关2个
三、实验原理与说明
在含有多个独立源的线性电路中，任一支路的电流（或电压）等于各独立源单独作用在该电路时，在该支路中产生的电流（或电压）的代数和。

线性电路的这一性质称之为叠加定理。

叠加定理说明了线性电路中各个电源作用的独立性，这是一个重要的概念。

任何一个独立电源作用在线性电路中所产生的响应，并不因为其它电源的存在而受到阻碍。

四、实验内容与步骤
1、在电路窗口中建立如图2-3示电路。

图2-3 实验电路。

2、第一让电路中两个电压源共同作用。

3、单击仿真开关。

4、电路达到稳固后，记录两只电流表和电压表的读数。

5、再让电路中的电压源V1单独作用。

6、单击仿真开关。

7、电路达到稳固后，记录两只电流表和电压表的读数。

8、然后让电路中的电压源V2单独作用。

9、单击仿真开关。

10、电路达到稳固后，记录两只电流表和电压表的读数。

比较三次测量的数据可得各电压电流的数值应该是两个重量之和。

七、摸索题
将电路中的电阻R2改为二极管，进行仿真实验，验证叠加定理是否适用于非线性电路。

§2-3 戴维宁定理的验证
一、实验目的
1．学习子电路的创建与调用。

2．把握有源单口网络等效电路参数的测量方法。

3．通过仿真实验验证戴维宁定理。

二、实验设备
1．直流电压源2台
2．直流电流源1台
3．直流电压表2块
4．直流电流表2块
5．电阻4个
6．可变电阻2个
三、实验原理与说明
具有两个引出端纽，内部含有独立电源且两个端纽上的电流为同一电流（这称为端口条件）的部分电路称为有源单口网络，也称为有源二端网络。

戴维宁定理指出：关于任意一个线性有源单口网络，可用一个电压源及其内阻R0的串联组合来代替。

电压源的电压为该网络N的开路电压；内阻R0等于该网络N中所有理想电源为零时，从网络两端看到里面去的等效电阻。

等效电阻R0的运算，常采纳以下四种方法：
（1）无源单口网络的等效变换法
将单口网络内部所有独立源置零后，用无源单口网络的等效变换方法运算出其等效电阻。

（2）开路、短路法
先分别用实验方法测量或用运算方法求出有源单口网络的开路电压UOC和短路电流ISC，如图2-4所示。

图2-4 短路法求等效电阻
SC
OC
I
U R。