Multisim和Matlab软件在电路仿真中的应用比较
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摘要：分析了multisim和matlab两种计算机仿真软件的特点，设计了含运算放大器的滤波电路实例，并对滤波电路进行了仿真比较分析，说明了两种计算机仿真软件在电路教学与实验方面的实用性。
关键词：Multisim；Matlab；电路仿真；滤波
中图分类号：TP391.9
文献标识码：A
文章编号：1006-8228[2011]08-22-02
引言
电路课程是计算机、电子信息工程、自动化、通信等电类专业学生的必修基础课程。通过本课程的教学，要使学生掌握电路的定理、电路的基本分析方法和初步的实验技能，为学习后续课程准备必要的电路知识。该课程特点是概念多、公式多，知识点繁杂，但近年来授课学时却在不断减少，使得教与学的难度增大。为了让学生提高学习兴趣，我们在电路理论教学中组织学生成立了课外学习计算机仿真软件小组，每个小组由组长带领利用业余时间学习，主要学习MathWorks公司的Matlab和Interactive Image Technologies(IIT)公司的Multisim软件包，Altium公司的Potel软件和MicroSim公司的Pspice，并由学生组织讲座，主讲计算机仿真软件在电路中的应用。这不仅使学生加深了对电路知识的理解，提高自学能力、组织能力，培养了工程实践能力，而且为后续课程的学习打下基础，提高了教学质量。
1、Multisim、Matlab两种仿真软件的特点
Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim仿真功能十分强大，它的元器件丰富，其中真实元器件具有精确的仿真模型，在市场上有相应的元器件出售。它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，用户最容易掌握使用。
Matlab是美国MathWorks公司出品的集数值计算、符号运算及图形处理和虚拟实验等强大功能于一体的科学与工程计算、数据分析和仿真软件。它主要包括MATLAB和Simulink两大部分，可实现电路的计算和仿真，即能通过计算机编程方法对人工建立的电路方程分析求解，也可利用Simulink组件，直接对电路建模、分析和计算。
2、Multisim MalIab仿真实例
集成运放广泛用于信号的处理电路中，其应用首先表现在它能构成各种运算电路上。例如，将积分、微分、比例等基本运算电路组合在一起，对电路自由设置传递函数，可实现预期的滤波功能。滤波又分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。在传统的教学中教师往往通过数学推导来讲授这些内容，各种滤波波形也很难在实验中进行显示。现以二阶有源滤波电路为例，说明如何利用Multisim、Maflab等仿真软件建立电路模型，改善教学效果。
滤波电路图如图1所示这是利用Multisim绘制的原理图。
我们首先对图1电路图进行定性分析：在Ui(s)作用下，以Uo1(s)为输出的支路，因为反馈通路为积分电路，所以它实现的是高通滤波；对于以Uo2(S)为输出的支路，则因为它是在高通滤波的基础上又经过了低通滤波，所以实现的是带通滤波；对于以Uo3(s)为输出的支路，则因为它是在带通滤波的基础上又经过积分电路，所以实现的是低通滤波；对于以Uo4(s)为输出的支路，则因为它是二阶高通与低通滤波的求和运算，所以实现的是带阻滤波。
定量分析：利用四个集成运放实现四种滤波功能，由电路基本理论我们可推得四个滤波器的传递函数分别为：
2.1 使用Multisim软件进行仿真
仿真的一般步骤是：首先绘制仿真电路原理图，对元件设置属性，设置仿真节点，并设置仿真分析参数；然后运行得到仿真结果，产生仿真信号数值和波形；分析仿真结果。
2.1.1 设置交流分析参数
进行交流分析时，以正弦波为输入信号。交流分析的结果，以幅频特性和相频特性两个图形显示。执行菜单命令Simulate／Analyses，在列出的可操作分析类型中选择ACAnalysis，则出现交流分析对话框，如图2所示。主要设置参数有起始参数、截止参数、扫描类型等。
2.1.2 仿真结果
利用Multisim可以直接显示出电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，图3、4、5、6中幅频特性曲线显示了各电路输出端的电压随频率变化的曲线，由图可知与定性分析相同。
2.2 Matlab仿真
利用Matlab软件观察四种滤波器的频率响应，仿真较为简单，只采用Matlab语言编程。
2.2.1 建立各滤波器系统函数系数矩阵
Ui＝[10*(R*C)^2，2*R*C，1]；
Uo1=[-1*((R*C)^2)*10，0，0]；
Uo2=[0，10*R*C，0]；
Uo3=[0，0，-10]；
Uo4=[-1*10*((R*C)^2)，O，-10]
2.2.2 仿真波形
画出频率响应曲线：plot(fk／1000,20*log10(abs(Hk))／max(abs(IIk)))；grid on经过对图7的分析可以发现，传递函数对应高通滤波。因篇幅有限，利用Matlab仿真低通、带通和带阻的仿真波形就不一一列出了。
3、两种电路仿真软件的比较
通过滤波电路仿真实例的分析比较，我们认为两种软件各有其仿真特色。主要为：
(1)Multisim的仿真软件具有强大的元件库和虚拟的实验仪器与仪表，能直接建立电路原理图，逼真再现实验环境，可直接分析电路的内部和外部特性，Multisim丰富的分析方法可以了解电路的状况、分析电路的各种响应，其分析精度和测量范围比用实际仪器测量的精度高、范围宽。Multisim软件适合元件和电路仿真分析，可以作为实验平台。
(2)Matlab运用编程，且其运行时将数据处理单元视作矩阵，增强了它的运算功能。Matlab信号和数据处理及计算能力强。图形可视化功能好，功能模块丰富，用于系统仿真更方便一些，并且通过研究电路的外特性，可验证电路定理和定律。
4、结束语
将计算机软件引入电路课程的教学实践，因其仿真结果准确、图像直接等特点，极大丰富了教师的授课内容。对各类典型的电路进行仿真，可加深学生对知识的理解，也缓解了实验设备少的问题；最重要的是激发了学生的学习兴趣，提高了学生的自学能力和综合素质，有助于培养具有创新意识和实际设计经验的人才。
参考文献：
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