最新仿真软件Multisim 10的虚拟仪器应用

最新仿真软件Multisim 10的虚拟仪器应用
雷跃
2007年3月美国国家仪器公司(NI)下属的Electronics Workbench Group，发布了Multisim 10.0和Ultiboard 10.0——这是交互式SPICE仿真和电路分析软件的最新版本。

这个平台将虚拟仪器技术的灵活性扩展到了电子设计者的工作台上，弥补了测试与设计功能之间的缺口。

Multisim10提供了21种虚拟仪器，这些虚拟仪器与现实中所使用的仪器一样，可以直接通过仪器观察电路的运行状态。

同时，虚拟仪器还充分利用了计算机处理数据速度快的优点，对测量的数据进行加工处理，并产生相应的结果。

一．虚拟仪器的概述
Multisim10仪器库中的虚拟仪器如图1所示，从左至右分别是：数字万用表（Multimeter）、失真分析仪（Distortion Analyzer）、函数信号发生器（Function Generator）功率表（Wattmeter）、双踪道示波器（Oscilloscope）、频率计（Frequency Counter）、安捷伦函数发生器（Agilent Funcition Generator）、四踪示波器（Four-channel Oscilloscope）、、波特图示仪（Bode Plotter）、IV分析仪（IV Analyzer）、字信号发生器（Word Generator）、逻辑转换仪（Logic Converter）、逻辑分析仪（Logic Anlyzer）、安捷伦示波器（Agilent Oscilloscope）、安捷伦万用表（Agilent Multimeter）、频谱分析仪（Spectrum Analyzer）、网络分析仪（Network Analyzer）、泰克示波器（Tektronix Oscilloscope）、电流探针（Current probe）、 LabVIEW仪器（LabVIEW Insturment）、测量探针（measurement probe）。

图1 仪器库
使用虚拟仪器时只需在仪器栏单击选用仪器图标，按要求将其接至电路测试点，然后双击该图标，就可以打开仪器面板进行设置和测试。

虚拟仪器在接入电路并启动仿真开关后，若改变其在电路中的接入点，则显示的数据和波形也相应改变，而不必重新启动电路，而波特图示仪和数字仪器则应重新启动电路。

二．虚拟仪器的应用
Multisim10的虚拟仪器可以应用于各种电子电路当中，下面通过实例仅对逻辑转换仪、网络分析仪、安捷伦示波器及LabVIEW仪器的使用及应用进行说明。

（一）逻辑转换仪的应用
逻辑转换仪（Logic Converter）是Multisim10软件特有的仪器，能够完成真值表、逻辑表达方式和逻辑电路三者之间的相互转换，目前实际中还不存在与之对应的设备。

在数字电路中，组合逻辑电路的设计复杂而繁琐，尤其当输入与输出变量的个数很多时，处理起来更加麻烦。

利用Multisim10的逻辑转换仪可以大大地简化和缩短组合逻辑电路的设计过程。

以一位
全加器的设计来简要地说明。

单击Simulate/Instruments/Logic
Converter,在弹出的逻辑转换仪的控制面板中
完成参数设置，如图2所示。

相当于完成了组合
逻辑电路的设计方法的第1步——建立真值表。

设计第二部：由真值表推导出逻辑表达式。

在图
4中，单击按钮后，出现真值
表对应的逻辑表达式：A′B′C＇+A＇BC＇+AB＇
C＇+ABC。

其中A＇表示对A的电平逻辑取反。

单击按钮后，随着蓝色
进度条的移动，在Multisim 10的电路窗口中出
现如图3所示的本位输出电路。

按同样的方法产生进位输出电路如图4所
示。

将图3和图4的电路组合起来即可得到一位
全加器电路。

图2 逻辑转换仪控制面板
图3 本位输出电路图4 进位输出电路
（二）网络分析仪的应用
利用Multisim10提供的网络分析仪，对RF电路的功率增益、电压增益和输入/输出阻抗等参数进行分析。

整个分析过程由网络分析仪自动完成，解决了传统方法中的复杂计算等问题。

（1）功率增益
Multisim10网络分析仪的RF特性分析工具可以计算RF电路在负载电阻为50Ω时的一般功率增益(PG)、可用功率增益(APG)和传感器功率增益（TPG）。

并将l0loglo |PG|记为dBMag 。

●一般功率增益定义为传送到负载上的功率与从输入端送到电路的平均功率之比。

计算公
式为：
PG=|S21|2/(1-|S 1 1|2)
●可用功率增益定义为电路的输出功率与电源的可用功率之比，计算公式为：
当Gg＝GL= 0时，TPG＝|S21|
●传感器功率增益APG是输出端的额定功率与电源的可用功率之比，计算公式为：
APG=|S21|2 /(1- |S22|2)
（2）电压增益
电压增益（VG）的计算公式为：
当ΓS＝Γ1＝0时，VG＝S21/(1＋S11）。

并将201oglo|VG|记为dBMag。

(3)输入/输出阻抗
当ΓS＝Γ1＝0时，输入／输出阻抗的计算公式分别为：
Z i＝（1＋Γi)／(1一Γi)。

其中，Γi＝S1l。

Z0＝（1＋Γ0）／（1一Γ0）。

其中，Γ0＝S22o
值得注意的是：这些值都是归一化的，但仿真显示的Z i和Z0的值却没有归一化
(4)利用网络分析仪研究RF电路的步骤：
①.创建需要仿真分析的RF电路图。

如图5所示
图5 RF仿真电路
②.将网络分析仪连接到
RF电路图中。

③.双击网络分析仪图
标，弹出网络分析仪面板。

④.在网络分析仪面板的
Mode框中，选择RF
Characterizer按钮。

⑤.在Trace选项中，根
据需要选择单击Trace区中的
PG, APG或TPG选项。

那么被
选中的变量随频率变化的曲
线将显示在网络分析仪的显
示窗口中，曲线上方还同时显
示某频率所对应的数值，该频
率可以拖动Maker区中的频率
滚动条来选取。

表图6 功率增益
⑥.从Parameter的列表中，选择Gains选项，则仿真出相对于频率的电压增益曲线。

选择Impedance 选项，则仿真出相对应于频率的输入、输出阻抗曲线。

为了较好地观察这些曲线，每次设置完毕后，应单击Auto Scale按钮。

图
图7 电压增益
完成上述创建RF仿真电路图及各种参数设置后，单击Simulate/Run按钮网络分析仪开始运行，并
得出
图5所示RF仿真电路的功率增益如图6所示；电压增益如图7所示；输入、输出阻抗如图8所示。

图8 输入/输出电阻
（三）安捷伦示波器的应用
Multisim10中的Agilent (安捷伦) 54622D Mixed-Signal Oscilloscopes（混合信号示波器），是带宽为100MHz、有两个模拟通道和16个逻辑通道的高性能示波器。

把示波器对信号细节的详尽分析与逻辑分析仪的多通道时序测量融为一体。

能同时看到18个通道上信号间的复杂交互关系，解决了传统示波器所无能为力的模拟数字混合电路设计的调试问题。

安捷伦示波器还具有对任何模拟通道上采集的信号进行相减、相乘、积分、微分和快速傅里叶变换等数学运算，并显示结果。

下面通过实例说明安捷伦示波器对逻
辑信号进行测量。

图9所示，V1为时钟信
号源，U1是一个4为计数器，QA、QB、QC、
QD分别为计数器的输出端，U2是一个带译
码器的七段数码管，将安捷伦示波器的数
字通道与这四位相连。

启动仿真开关，计
数器从0开始进行加1计数并通过数码管
显示出来。

再双击安捷伦示波器并打开电
源开关（POWER），单击逻辑分析功能区中
的按钮，并调节水平
时基按钮，将得到如图10所示的输出波
形，为QA、QB、QC、QD的高低电平变化，
即电路的逻辑。

可以保存当前示波器显示
的波形，单击
，在功
能按钮栏上出现按钮，单击该功
能按钮完成保存。

图9 使用安捷伦示波器的逻辑分析功能
图图10 安捷伦示波器的显示结果
（四）LabVIEW仪器
Multisim10中，引入了NI公司独创的、先进的LabVIEW 技术，该技术是一种图形化的编程语言和开发环境，使用这种语言编程可以从枯燥繁琐的程序代码中解放出来，绘制虚拟仪器流程图，可以利用Multisim10中的虚拟采样仪器，也可以设计和自造虚拟仪器。

Multisim10中有四种虚拟采样仪器，如图11所示。

分别是Microphone(话筒)，Speaker(播放器)，Sgnal Anatyzer(信号分析仪)，Sgnal Generator (信号发生器)。

它们对应的仪器图标XLV1、XLV2、XLV3、XLV4 。

双击XLV1图标打开话筒设置对话框，如图12所示。

图中显示从硬盘中获取采样声音，设置记录持续时间、声音频率以及是否需要反复记录等设置栏目。

同理，图13显示播放器音频时间、频率的设置及注意事项等。

图14为信号分析仪放大面板，其可以对三种分析类型、采样频率等进行设置，分析波形可在屏幕显示出来，横轴为时间，纵轴为波形的幅度。

图15是信号发生器放大面板，其中有两项设置：“信号信息栏”主要对信号类型、频率及方波的占空比、信号的幅度、相位及偏移量等设置；“采样信息栏”主要对采样信号的幅度、采样信号的数量等进行设置，并且还可以选择反复重现分析波形，通过右侧屏幕显示出来。

图11 虚拟采样仪器
图
12 话筒设置
对话框
图13 播放
器设置对话框
图14 信号分析仪放大面板
图15 信号发生器放大面板
可以看出Multisim10中的虚拟仪器可以实现自动测量、自动记录、自动数据处理，与传统仪器相比具有很大的优越性，有效地提高了电路设计与实验的效率和水平。

Multisim10仿真软件必将成为电子电路计算机辅助分析和电子教育领域不可缺少的得力工具。

（原刊于《电子制作》2007年第7期）。