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您的位置网站首页>>电子仿真>>电子仿真软件MULTISIM9.0简简介
责任编辑:刘昆山作者:机械电子建筑工程学院 朱利洋(原载《电子制作》2007 年第10期)

  崭新的21世纪已经来到我们的面前,展望21世纪的电子技术,有人提出,集成电路芯片技术必将迅猛发展,由于芯片技术的发展,反过来又会推动计算机、通信和消费电子产品的更新换代。
如今,我们已经亲身经历和亲眼目睹了自改革开放以来,我们国家所发生的翻天覆地变化。电脑已经进入寻常百姓家,英特网使我们和全世界连成一体。手机就是当年神话传说中的“顺风耳”;电脑前的摄像头就是当年神话传说中的“千里眼”,我们已经处于科技高度发达的信息时代。在这样一个崭新的时代里,年轻人该怎样学习日新月异的电子技术呢?

  (一)新的学习电子技术方法

  首先,笔者认为新世纪学习电子技术离不开计算机。联合国最近给文盲下了新的定义:不会计算机是新时代的文盲。的确,现在的年轻人如果不会操作电脑,必将到处碰壁、寸步难行,试想,现在还有哪些单位不用电脑?
  其次,新世纪学习电子技术必须要掌握电子仿真技术或一款优秀的电子仿真软件。为什么?因为电子仿真技术是虚拟的,即在计算机中通过仿真软件,完成你所需要做的电子实验,这样有几大好处:其一,一款优秀的电子仿真软件备有大量的电子元器件,供你选用;其二,配备齐全和先进的虚拟仪器、仪表,供你调用测试;其三,连接仿真电路简单快捷,不需焊接,使用仪器调试不用担心损坏;其四,还可以利用电子仿真软件进行多种电路分析,比如电路的直流工作点分析、温度影响分析等等;其五,还可以将所设计的电子电路内容无缝链接到制版软件中,直接进行电路板制作。
  举一个例子:美国每设计和生产出一款新型的飞机,大约就是一、二年时间,新机型的大量数据测试,比如风洞气流测试、耗油量、极限速度性能测试等等,都有相关的软件进行虚拟仿真,在仿真中对虚拟飞机的参数进行反复修改,直到得到最佳设计机型方案,然后才根据最佳设计图纸方案制造出样机进行试飞,大大地缩短了设计和生产飞机的周期。而以前我国生产新机型,是先根据设计图纸,造出样机进行风洞测试、还要反复试飞、修改,推出一款新机型周期大约要耗时十年。电子产品也一样,当你有一个电子电路的设计构想时,就可以先在计算机上虚拟仿真和反复修改错误,只要电路仿真成功通过了,然后再采购元件,安装后稍作调试就出新产品了,成功率高。在日益快速发展、激烈竞争的电子行业,缩短生产周期,抢得商机无疑是成功的关键。
  特别在业余条件下,只要有计算机和电子仿真软件,你就可以足不出户,坐在家里学习电子技术和设计电子产品。尤其是电子仿真软件中的虚拟仪器品种多达十几台,比一般大学电子实验室的配备还要丰富,有些先进昂贵的仪器只有专业研究机构才能配置,比如说跨国安捷伦公司仪器、美国泰克公司仪器、美国国家仪器公司虚拟仪器等应有尽有,而且它们的面板、旋钮、操作方法都设计成和真实仪器完全一样。可以这么说,掌握了一款优秀的电子仿真软件,就相当于你拥有了一间世界先进设备的个人实验室。要学习电子技术,一方面要学习理论知识,但一个必不可少的学习环节就是实验和实践,学习电子技术光在纸上谈兵不行,必须加强实际操作和动手制作,这是学习电子技术与其它学科不同之处。
  拥有了一台计算机,下载和安装上一款先进的电子仿真软件,你就可以坐在电脑前,轻轻地按动鼠标,随意地调出电子元件、搭建电路、调出虚拟仪器、对电路进行仿真测试、设计出电子产品、并且还可以利用制版软件绘制出电路板等等,把一些繁琐的劳动交给计算机来完成,我们坐在电脑前尽享高科技给我们带来的轻松和愉悦,有这等好事何乐而不为?

  (二)电路虚拟仿真与电子电路实验教学有机地结合

  一说起电子技术,人们自然会想起日常生活中比比皆是的家用电器。小到小小的手机、遥控器,大到彩电、冰箱、洗衣机,那一样不是电子产品?电子技术已经浸透到我们日常生活的方方面面。学习电子技术也最能引起年轻人的兴趣,但兴趣归兴趣,真要学好电子技术这门功课,还是要下一番苦功夫的。有些学生一开始对学习电子技术这门课怀有浓厚的兴趣,由于电子技术这门课的一些理论知识比较抽象,有些公式推导要涉及到高等数学,学着学着,渐渐地学生们会有些稀里糊涂起来,然后就产生畏难情绪,最终选择了放弃。
  电子技术是一门理论性和实践性都很强的课程,重视实验教学是学好电子技术的一个必不可少的环节,而电子虚拟仿真又是实验室操作实验的一个重要的辅助手段。在电类本科教学大纲中就明确要求,学生必须掌握一种以上EDA软件的应用,这是对电子类学生的基本功要求。
  上面已经讲到,只要在计算机中安装了一款先进的电子仿真软件,就可以进行所有电子课程中的实验仿真验证。在学习电子技术这门课时,往往受教学课时和实验室条件限制,不可能做大量的电子电路实验,脱离了实验,光学抽象的理论知识,味同嚼腊。若能一边学习理论知识一边进行虚拟仿真实验验证,不仅可以加深对抽象枯燥概念的理解,同时从计算机屏幕上能直观地看到虚拟仪表显示的实验数据和虚拟示波器显示的波形,变书本上死的、静止的概念为活的、生动的、能看得见的数据和波形。比如学习高频电子线路中,学生对同步检波电路原理等内容就比较难理解,而借助于MultiSIM软件中的虚拟4踪示波器的屏幕就可以将4种信号同时显示出来,它们之间的相位关系也一目了然,如图一所示。

            图(一)

  图一中,虚拟4踪示波器的屏幕上,从上到下第一条波形是A通道显示的高频载波波形;第二条波形是B通道显示的低频调制信号波形;第三条波形是C通道显示的调幅波;第四条波形是D通道显示的用同步检波器解调出的低频调制信号波形。
  在此,特别值的一提的是,实验室中根本不可能有4踪示波器,只能用双踪示波器分两次观察,不能很好地比较4种波形之间的相位关系。
  学生在学习电子技术时,遇到难于理解的地方,完全可以随时在计算机上通过虚拟仿真实验来验证和理解抽象的概念。这样学习电子技术就会显得生动和有趣,理解了抽象的概念,自然就会对学习电子技术信心倍增。
  
  学生如能在进实验室做实验之前,先在计算机上将要做的内容仿真一遍作为实验预习,则再进实验室做实验将会收到事半功倍的效果。预习实验内容和不预习,实验效果将大相径庭。所以,提倡掌握电子虚拟仿真技术,作为一种新世纪学习电子技术的重要辅助手段,它也代表着新时代学习电子技术的潮流。
  特别是职高、高职院学生,以及社会上广大电子爱好者,自学电子技术缺乏良好的实验室条件,应用电子仿真软件做虚拟实验是一种非常理想的选择。世界上许多软件公司近年来纷纷推出它们的EDA软件,电子仿真软件品种繁多,有比较简单直观,较适合职高学生使用的,由匈牙利Designsoft公司推的Edison(爱迪生)软件,该软件主要是适合对电子技术有兴趣的初学入门者,其特点是所有元件和仪器都做成三维立体的,图二和图三为其三维立体元件连接实验示例图,图四为仪器连接和显示的波形图。
  
图(二)

  
图(三)

 
图(四)
  
  在用Edison(爱迪生)软件进行仿真实验时,若电路有故障或电路设计有问题,灯泡、电流表、电动机、示波器等部件都会烧毁和冒烟,形象逼真。但只要点击“修复”功能,烧毁的部件又能恢复如初 [注:读者如对Edison(爱迪生)软件有兴趣,可登录www.edisonlab.com上浏览 。有一定电子技术基础的学生,则可以选用功能更强大的Tina Pro 6、Proteus、MultiSIM等软件进行电子电路的仿真。
      
  (三)EWB及MultiSIM电子仿真软件

  笔者在此着重向读者推荐MultiSIM电子仿真软件。根据笔者多年的教学经验,认为MultiSIM软件是众多电子仿真软件中的佼佼者,且该软件近年来在不断地更新和升级,功能越来越完善,具有强大的生命力。
  还得从20世纪80年代加拿大Interactive Image Technologies公司(简称IIT公司)推出EWB5.0(Electronics workbench)说起,加拿大IIT公司推出的颇具特色的电子仿真软件EWB5.0,曾经风靡世界。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点,早在20世纪90年代就在我国得到迅速推广,受到电子行业技术人员的青睐。跨入21世纪初,加拿大IIT公司在保留原版本的优点基础上,增加了更多功能和内容,特别是改进了EWB5.0软件虚拟仪器调用有数量限制的缺陷。将EWB软件更新换代推出EWB6.0版本,并取名MultiSIM(意为多重仿真),也就是Multisim2001版本。2003年升级为Multisim7.0版本,电子仿真软件Multisim7.0功能已相当强大,能胜任各种电子电路的分析和仿真实验。它有十分丰富的电子元器件库,可供用户调用组建仿真电路进行实验;它提供18种基本分析方法,可供用户对电子电路进行各种性能分析;它还有多达17台虚拟仪器仪表和一个实时测量探针,可以满足一般电子电路的测试和实验。但它有一个缺点,就是将电阻的单位Ω用“Ohm”三个字母表示,使用起来不方便。除了这一点之外,电子仿真软件Multisim7.0已经相当成熟和稳定,是加拿大IIT公司在开拓电子仿真软件领域中的一个里程碑。电子仿真软件Multisim7.0启动画面如图五所示。

图(五)
  
  以后加拿大IIT公司虽然又相继推出Multisim8.0、8.3.30等版本,将Multisim7.0的缺点,即电阻的单位“Ohm”三个字母改为用Ω表示。Multisim8.0版本除了增加了一些元件库品种、一台“泰克”示波器和其它一些功能之外,给人的印象与Multisim7.0相比并没有太大的区别。也可以说Multisim8.0版本是加拿大IIT公司推出的电子仿真软件的终极版,Multisim8.0版本启动画面如图六所示。
 
图(六)
  
  2005年以后,加拿大IIT公司已经隶属于美国国家仪器公司(National Instrument,简称NI公司),美国NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。其启动画面如图七所示。

图(七)
  
  美国NI公司推出的Multisim9.0版本与以前加拿大IIT公司推出的Multisim7.0版本有着本质上的区别。虽然它的界面、元件调用方式、搭建电路、虚拟仿真、电路基本分析方法等还是沿袭了EWB的优良传统,但软件的内容和功能已大不相同。比如它的元件工具条中增加了单片机和三维先进的外围设备,如图八所示。

图(八)
  
  另外,在Multisim9.0基本界面右边虚拟仪器工具条下方增加了4台LabVIEW 采样仪器,它们分别是:麦克风、播放器、信号发生器和信号分析仪如图九所示。
      
图(九)
  
  2007年初,美国NI公司又推出最新的NI Multisim10版本,其启动画面如图十所示。在原来的Multisim前冠以NI,启动画面右上角有美国国家仪器公司的徽标和英文“NATIONAL INSTRUMENTSTM”字样。
 
图(十)
  
  在安装NI Multisim10软件的同时,也同时安装了与之配套的制版软件NI Ultiboard10,并且两个软件位于同一路径下面,给用户使用提供了极大的方便。制版软件NI Ultiboard10软件启动画面如图十一所示。
   
图(十一)
  
  可见,现在美国NI公司推出的NI Multisim10软件,再不是以前的EWB了。可以这样认为,EWB主要功能在于一般电子电路的虚拟仿真;而NI Multisim10软件则不仅仅局限于电子电路的虚拟仿真,其在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真等技术方面都有更多的创新和提高,属于EDA技术的更高层次范畴。
  美国NI公司是虚拟仪器技术的权威。随着科学技术的不断发展和进步,人们最早使用的测量仪器是模拟指针式电表,后来发展到数字式电表,然后又有智能化仪表,目前和今后,虚拟仪器仪表技术必将由于计算机的普及而得到迅速发展。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench),是一个工业标准的图形化开发环境,可以理解为实验室虚拟仪器集成环境,它是一种用图形来编程的语言,所以有人把它称为“G”语言(Graph图形)。“C”语言是用枯燥繁杂的字符代码来编程的,用LabVIEW的“G”语言编程,基本上可以不写代码,而是用工程师们所熟悉的图标和框图来“绘制”程序流程图,显得生动和形象。掌握了LabVIEW软件编程技术,再将计算机的屏幕作为虚拟仪器的终端显示硬件,人们就可以随心所欲地“制造”出自己所需要的各种高性能测量仪器。
  虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代,那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后,仪器级的计算机化成为可能,甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前,NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得美国NI公司成为业界公认的权威。
  在 NI Multisim 10软件基本界面右边虚拟仪器工具条中,除了Multisim9.0的4台LabVIEW 采样仪器之外,又增加了一个“Current Probe”如图十二(左) 所示。

          图(十二)

  它是一个电流取样探极,可以将其调出串入电路中,并通过连线将它与虚拟示波器直接相连,可以从示波器屏幕上观察到电流波形,相当于一个电流取样电感。原Multisim8.0及以前版本软件,基本界面右边虚拟仪器工具条中都有一个黄色的“实时测量探极”,平时呈灰色,仅在仿真开关打开后才呈黄色,可以调出用于对仿真电路测量各节点的动态实时电压等参数,而在NI Multisim10软件中,赋予了它更多的功能,且可以在仿真开关没有运行的情况下,点击其下拉箭头如图十二(中)所示,将弹出它的下拉菜单如图十二(右)所示,选择其中的“Instantaneous voltage and current”将它调出串入电路各支路,运行仿真后可以自动显示各支路的电压和电流如图十三所示。


图十三

  (四)设计电子产品的新理念

  传统的设计电子产品的老方法是:首先构思和绘制出电子电路原理图,采购元器件,在试验板或实验台上搭建和焊接电路,然后通上电源,进行调试,并用信号源输入测试信号,用万用表检测电路各级电位是否正常,并用示波器观察电路输出波形等等。经反复试验、调整、拆换元件,最后得到样机。如若对构思的电路原理图是否完全正确可行,心中没有充分的把握,还不能冒然通电试验,即使采用了一些限流、限压等保护应急措施,第一次合闸通电时,心中难免有些紧张。特别是强电,小则瞬间元件冒烟烧毁,大则贵重仪器报废,这是常有的事。
  然而,电子电路的虚拟仿真技术从根本上解决了这种悲剧的发生。如若构思和搭建的电路存在问题,仿真开关打开后,软件会自动跳出对话框,指示电路哪个地方有错,或漏接了电源和地线等。只要关闭仿真开关,便可以进行修改,绝对不用担心虚拟仪器会烧毁。在计算机上可以反复进行调换元件、改变信号强弱,直到电路达到设计要求为止。并且还可以在电子样品没有出来之前,就可以利用软件所提供的多种电路分析方法,对设计的电路进行诸如最佳工作点分析、温度影响分析、失真度分析、最坏工作条件分析等性能测试。也就是说,在生产产品之前,就能对产品的性能有所了解,这在以前用老方法设计电子产品是不可能办到的。
  如果在设计和仿真好电子产品后,再利用与电子仿真软件相配套的制版软件,比如与电子仿真软件NI Multisim10相配套的就有制版软件NI Ultiboard10,用电子仿真软件NI Multisim10设计的电路内容可以无缝链接到NI Ultiboard10中进行制作电路板,或者用另一个EDA软件Protel PCB 99 SE制版。这样就可以大大地加快设计和生产电子产品的周期。
  由于采用电子虚拟仿真技术设计电子产品具有安全系数高、投入设备少、周期短、性能高,所以新世纪设计电子产品的新理念是:构思电路——虚拟仿真——绘制电路板——焊接调试——出产品。

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