第二章
电子电路仿真软件入门

在电子产品的设计、开发与制造过程中，电路设计是非常关键的一步，好的电路设计不仅能满足生产、生活中的实际要求，达成各种预设的性能指标，还能极大地简化电路、降低生产成本、提高电路系统的抗干扰能力。传统的电路设计方法是由设计人员根据已有经验，利用通用元器件来完成电路的设计、试制及性能测试等，此方法花费巨大、工作效率低、设计周期长，仅能适用于较为简单的电子电路设计，难以实现复杂的电子电路设计。因此，人们设计了各种电子电路仿真软件，以此作为虚拟的电路测试工具，进行虚拟的电路实验及搭建，从而极大地简化电路设计的过程。当前的电子电路仿真软件不仅为电路设计提供了虚拟的实验平台，而且提供了强大的元器件库、丰富的电路分析工具及虚拟仪器。在此虚拟环境下，电路设计并不需要真实的电路环境，不必考虑实验环境的时间和设备限制，极大地提高了电子电路设计的效率。因此，利用电子电路仿真软件对电子电路进行分析与设计已经成为当今电子电路设计中极其重要的手段之一。

一、Multisim电子电路仿真软件简介

Multisim电子电路仿真软件是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）推出的一款基于Windows操作系统的电子电路仿真软件。Multisim可以使用于模拟电子电路的设计，同时也适用于数字电子电路的设计，是一个比较完整的电子电路设计工具。Multisim提供了强大的元器件库，其器件库囊括了从无源到有源、从模拟到数字、从分立元件到集成电路等方面，具备数千个器件模型；也提供了各种电子虚拟仪器，能对电路状态进行检测；同时还提供大量分析工具，可以对电路进行稳态和瞬态分析、时域和频域分析、噪声和失真分析等，方便设计人员全面分析电路性能，以实现电路的优化与设计。Multisim采用的EDA（Electronic Design Automation）技术，借助计算机存储容量大及运行速度快的特点，可以对电路设计方案进行人工难以完成的仿真评估、设计检验、优化和数据处理等工作。若将其使用于教学中，可以方便学生迅速地把学到的理论知识通过计算机仿真的方式再现出来，实现理论知识的可视化，这可以极大地提高学生的学习热情和积极性。因此，把Multisim的电子电路仿真穿插于理论课与实验课之间，进行线上线下的混合教学，可以大大丰富教学的形式，发挥学生的主观能动性，增加教师与学生之间的相互交流。

Multisim是20世纪80年代由加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technology，IIT）首先推出的。2005年，IIT公司被NI公司并购，先后推出了Multisim 9至Multisim 14等版本，这里仅以Multisim 12为例对Multisim的仿真操作作简单介绍。

二、Multisim软件界面介绍

Multisim 12的操作界面如图2-1所示：

操作界面主要包括以下几个部分：菜单栏、系统工具栏、元件工具栏、设计工具栏、仪表工具栏以及仿真开关等。界面中左边部分为管理窗口，右边带网格的部分是电路窗口，电路的输入、连接、编辑、测试以及仿真均在电路窗口里面完成。

1．菜单栏

与Windows应用程序类似，我们可以在菜单栏的下拉菜单里面找到所有功能指令。Multisim 12的菜单栏包括了文件、编辑、视图、放置、单片机、仿真、转移、工具、报表、选项、窗口、帮助等下拉菜单。该菜单栏提供了对电路进行编辑、视图设置、添加元器件、普通仿真、单片机仿真、报表生成、系统设置以及信息帮助等功能。

2．系统工具栏及设计工具栏

与大多数Windows应用程序一样，为了方便用户使用，Multisim 12把一些常用功能以图标的形式排列成工具栏，各个图标的具体功能参阅相应菜单中的说明。

3．元件工具栏

Multisim 12提供的元器件分为虚拟元器件及实际元器件两种，其中虚拟元器件的元器件在默认情况下为理想元器件，其具体电气参数可以进行修改；而实际元器件的电气参数与实际元器件的型号相对应，不可改变。在设计电路时，尽量选取当前市场上能购买到的实际元器件进行仿真，以避免仿真结果与实际电路有较大差别，而且在设计完成后可直接生成PCB文件；在选取不到某些参数或者需要进行参数扫描、参数分析时，可以选取虚拟元器件。

元件工具栏包含了各种常用的元件库按钮（见图2-2），单击元件库按钮可以打开该类型元件库所包含的具体元器件，具体器元件以元器件符号来进行区分。

在元件工具栏中，跟模拟电子电路相关的主要元件库如下：

（1）电源库（source）。

在元件工具栏中点击 按钮则会弹出元件库选择窗口，如图2-3所示。

元件库选择窗口分为三列排布，最左边一列为相应元件库群的分类窗口，中间一列的窗口列出了具体的元器件名字，最右边一列的上方给出了相应的元器件符号，其下方则给出了该元器件的仿真模型、参数、生产厂家及管脚等信息。Multisim提供了完整的电源库，其对应图标如图2-4所示：

（2）基本元件库（basic）。

在元件工具栏中点击 按钮，则会弹出基本元件库选择窗口，其窗口类似于图2-3。基本元件库包括了电路基本元器件如电阻、电容、电感、变压器、开关、可变电阻、可变电容等，其对应图标如图2-5所示。

（3）二极管元件库（diode）。

在元件工具栏中的 按钮是二极管元件库，其中包括了虚拟二极管、普通二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、保护二极管、单相整流桥、肖特基二极管、晶闸管、双向触发二极管、双向晶闸管、变容二极管、晶闸管浪涌保护器件、PIN型二极管等，其对应图标如图2-6所示。

（4）晶体管元件库（transistor）。

在元件工具栏中的 按钮是晶体管元件库，其中包括了虚拟晶体管、NPN型晶体管、PNP型晶体管、互补晶体管、达林顿NPN晶体管、达林顿PNP晶体管、NRES双极结型晶体管、PRES双极结型晶体管、CRES双极结型晶体管、绝缘栅双极型三极管、耗尽型场效应管、N沟道增强型场效应管、P沟道增强型场效应管、互补场效应管、N沟道耗尽型结型MOS管、P沟道耗尽型结型MOS管、N沟道MOS功率管、P沟道MOS功率管、互补MOS功率管、UJT管、温度模型等，其对应图标如图2-7所示。

（5）模拟集成元件库（analog）。

在元件工具栏中的 按钮是模拟集成元件库，其中包括了模拟模型虚拟元件、运算放大器、诺顿运算放大器、比较器、差分放大器、宽带运算放大器、音频放大器、电流传感/放大器、仪表放大器、特殊功能器件等，其对应图标如图2-8所示。

（6）指示元件库（indicators）。

在元件工具栏中的 按钮是指示元件库，使用这些指示元器件可以方便地得到电路的运行参数，其中包括了电压表、电流表、逻辑探针、蜂鸣器、灯、虚拟灯、数字显示器件、进度显示器等，其对应图标如图2-9所示。

Multisim除了提供跟模拟电子电路相关的元器件之外，还提供了丰富的数字电子电路、混合电子电路、可编程逻辑器件及机电类元件库，分别为TTL元件库（TTL， ）、CMOS元件库（CMOS， ）、其他数字元件库（Misc Digital， ）、混合集成元件库（Mixed ICs， ）、电源元件库（Power Components， ）、其他元件库（Misc， ）、高级外设库（Advanced Peripherals， ）、射频元件库（RF， ）、机电类元件库（Electromechanical， ）、单片机模块库（MCU， ）等。

4．仪表工具栏

Multisim 12提供的虚拟仪器、仪表不仅包括了一般电子电路实验常用到的理想测量仪器，还提供了一般线下实验室中难以配置的高性能测量仪器，如安捷伦函数发生器（Agilent33120A）、安捷伦数字万用表（Agilent34401A）、安捷伦示波器（Agilent54622D）、泰克示波器（TDS2024）等，其控制面板、操作等均与真实的仪器一模一样，使用方便，也便于学生通过练习熟悉这些测量仪器的使用。Multisim 12提供的仪表工具栏图标如图2-10所示。

三、Multisim电子电路仿真分析

（一）电路创建及设置

1．电路创建

运行Multisim 12后，程序自动创建一个空白的电路文件。如果要新建一个空白电路文件，可以通过系统工具栏中的 按钮或者点击菜单栏File-＞New-＞ Design选项新建空白电路文件，如图2-11所示。

2．元器件的查找与选择

Multisim提供三个层次的元件数据库［Multisim主数据库“Multisim Master”、用户数据库“User”及合作/项目数据库“ _{corporate/project} （ _corp/ proj）”］。在这里我们只介绍Multisim的主数据库“Multisim Master”。

如前所述，我们可以在Multisim中利用元件工具栏很方便地查找相应元器件，进行元器件的放置，也可以使用菜单栏中Place-＞ Component放置元器件。点击Place-＞ Component后，Multisim将调出元器件选择界面，如图2-12所示。Database选择框给出了三个层次的元件数据库，在此教材中选择Master Database；Group选择框中给出了不同的元器件组，其分类与元件工具栏一致（见图2-13）；选择相应元器件组后，在Family下拉菜单中选择相应系列（见图2-14，参考元件工具栏的介绍）；选取相应系列后，在中间一列元器件区域中将弹出该系列的所有元器件列表，选择其中某种元器件，最右一列功能区就会出现该元器件的信息（见图2-12）。

3．元器件的放置与设置

Multisim 12中的元器件分为实际元器件与虚拟元器件两种。实际元器件是在市场上可以买到的元器件，其参数与实际元器件的典型参数一致；虚拟元器件的参数可以与市场上的产品不一致，完全由用户自行定义。元器件的查找与选择如上所述，在元器件列表中选取所需元器件后，单击“OK”按钮即可把该元器件选出，此时电路窗口中会出现浮动的元器件，用户可将该元器件拖至合适的位置，单击鼠标左键进行放置。

放置好的元器件有默认属性，其包括元器件标号、元器件参数以及显示方式等，用户可以通过左键双击元器件图标，或者以鼠标右键点击元器件图标后选择Properties选项来对元器件的属性进行设置。

4．电路连线

元器件放置于电路窗口后，通过鼠标左键单击所需要连接的元器件1引脚，拖动鼠标至目标元器件2引脚再次单击，即可实现两个目标引脚的连线。连线过程中可以使用Esc键或者单击鼠标右键终止连接。通过拖动元器件，观察连线是否跟随元器件移动，从而判断连线是否可靠。

5．调用、连接仪器仪表

在电子电路设计中，可以使用仪器仪表对电路运行状态进行观测，从而测试电路的正确性。仪器仪表的调用方法与元器件调用方法相同，其中较简单的方法是可以通过使用鼠标左键点击仪表工具栏中的相应仪器，拖动虚拟仪器仪表图标放置至合适位置进行调用。

6．仿真运行

电路创建成功之后，把相应的仪器仪表连接至电路中并将文件保存。通过单击仿真开关 ，实现电路的仿真测试，得到实验结果。双击电路中仪器仪表图标可以打开相应仪器仪表的面板，实现仪器仪表参数的设置以及对测量结果的观察。

（二）电路仿真实例

在本节中，以简单的电阻分压电路为例，讲述具体的电子电路创建、设置与仿真运行过程。

1．放置电源

（1）单击电源工具按钮，调用电源元件库。选择“POWER＿ SOURCES”中的“DC＿POWER”（见图2-15），并放置于电路窗口的相应位置。

（2）双击电路窗口中的电源图标，对电源的参数进行设置，将电源电压设置为12V，如2-16所示。

2．放置电阻

（1）单击基本元件库按钮，调用基本元件库。选择固定电阻“RESISTOR”中的“1.0k”电阻（见图2-17），并放置于电路窗口的相应位置。

（2）单击基本元件库按钮，调用基本元件库。选择可变电阻“POTENTIOMETER”中的“2k”可变电阻（见图2-18），并放置于电路窗口的相应位置。

（3）为了连线方便，需要将可变电阻旋转90°。鼠标右击电路窗口中可变电阻图标，在弹出的菜单中选择“Rotate 90°clockwise”命令，将可变电阻顺时针旋转90°。

3．放置模拟地

Multisim中必须设置地线才能实现电路的仿真，因此在电路中需要加入模拟地。单击电源工具按钮，调用电源元件库，选择“POWER＿ SOURCES”中的“GROUND”放置于电路窗口中相应位置。

4．放置电压表

点击仪表工具栏中的“Multimeter”按钮，在电路中放置数字万用表来测量电路状态。

5．电路连线

使用手工连线方式，将各个元器件以及仪表进行连线，电阻分压电路连线图如图2-20所示。

6．电路仿真

点击仿真开关 ，开始电阻分压电路的仿真与测量；双击电路中的三个数字万用表，将其设置为直流电压表，并将三个数字万用表的控制面板放置于合适位置；利用可变电阻的控制条改变可变电阻的阻值，可以通过三个电压表的读数观察可变电阻阻值与各分压之间的关系，如图2-21所示。