手把手教你学电路仿真设计

本书注重通过仿真设计手段深入研究经典电路理论和应用案例，使读者轻松掌握基础的电路分析和设计方法，从而为今后进行系统设计、综合设计打下良好的基础。

本书以电工电子技术的基础理论为编排主线，以NI Multisim 14.0仿真软件为平台，精选各类典型电路进行仿真分析。全书以仿真实例为任务牵引，避开枯燥的理论知识讲解和繁杂的公式推导，通过仿真实例演示和分析过程，阐释电路原理，从而形成一个完整的电子产品设计思路，提高电路分析与设计的效率。在内容编排上，由浅入深，循序渐进，读者可以参考典型电路的仿真实例边学边做，方便读者自学和快速入门。全书共9章，主要包括三部分内容。第一部分包括第1章，简要介绍NI Multisim 14.0仿真软件的发展、安装和基本操作；第二部分包括第2～3章，主要介绍NI Multisim 14.0的常用虚拟仪表和仿真分析方法；第三部分包括第4～9章，详细介绍NI Multisim 14.0在电路分析、模拟电路、数字电路、电力电子电路、高频电子电路和MCU 方面的应用。随书配套有仿真实例的仿真源文件和同步操作讲解视频，且所有仿真实例均有可重复性。本书可作为高等院校，高职、高专院校电类课程教学和实验仿真的参考教材，也可作为高等院校电类专业师生、电类相关工程技术人员、广大电子爱好者的参考书。

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第1章 Multisim 14.0 概述 001
1.1Multisim 仿真软件的发展简介 001
1.1.1EDA 技术 001
1.1.2Multisim 的发展历程 002
1.1.3Multisim 14.0 的新特性 003
1.2Multisim 14.0 的安装 003
1.3Multisim 14.0 的基本操作 006
1.3.1主操作界面 006
1.3.2菜单栏 007
1.3.3工具栏 015
1.3.4电路工作区 017
1.3.5设计工具箱 018
1.3.6电子表格视窗 019

第2章 Multisim 14.0 的虚拟仪表 020
2.1模拟类虚拟仪表 020
2.1.1万用表 020
2.1.2函数发生器 021
2.1.3瓦特计 023
2.1.4示波器 023
2.1.5四通道示波器 024
2.1.6波特图仪 025
2.1.7伏安特性分析仪 026
2.1.8失真分析仪 027
2.2数字类虚拟仪表 029
2.2.1频率计数器 029
2.2.2字信号发生器 030
2.2.3逻辑分析仪 032
2.2.4逻辑转换仪 034
2.3探针 036
2.3.1测量探针 036
2.3.2钳式电流探针 037
2.4频域分析虚拟仪表 038
2.4.1频谱分析仪 038
2.4.2网络分析仪 039
2.5其他虚拟仪表 040

第3章 Multisim 14.0 的仿真分析方法 044
3.1Multisim 14.0 仿真分析的一般流程 044
3.2Multisim 14.0 仿真分析 046
3.2.1交互式仿真分析 046
3.2.2瞬态分析 047
3.2.3直流工作点分析 052
3.2.4交流扫描分析 053
3.2.5单一频率交流分析 055
3.2.6傅里叶分析 057
3.2.7直流扫描分析 059
3.2.8参数扫描分析 060
3.2.9温度扫描分析 064
3.2.10失真分析 065
3.2.11噪声分析 067
3.2.12噪声系数分析 069
3.2.13灵敏度分析 071
3.2.14传递函数分析 073
3.2.15零极点分析 075
3.2.16蒙特卡罗分析 077
3.2.17最坏情况分析 080
3.2.18布线宽度分析 083
3.2.19批处理分析 084
3.2.20用户自定义分析 087

第4章 基于Multisim 14.0 的电路分析仿真 089
4.1电路基本定律的仿真分析 089
4.1.1欧姆定律 089
4.1.2基尔霍夫定律 091
4.2直流稳态电路的仿真分析 092
4.2.1支路电流法 092
4.2.2节点电压法 093
4.2.3叠加定理 094
4.2.4齐性定理 095
4.2.5无源二端网络的等效 096
4.2.6戴维宁定理 097
4.2.7诺顿定理 098
4.2.8替代定理 098
4.3动态电路的仿真分析 100
4.3.1一阶线性动态电路的响应 100
4.3.2二阶线性动态电路的响应 103
4.4正弦稳态电路的仿真分析 106
4.4.1元件约束的相量形式 107
4.4.2结构约束的相量形式 108
4.4.3正弦交流电路的功率 109
4.4.4频率响应 110
4.4.5三相交流电路 116
4.5非正弦稳态电路的仿真分析 119
4.6典型案例的仿真分析——串联谐振电路 121

第5章 基于Multisim 14.0 的模拟电路仿真 123
5.1半导体器件的伏安特性测试 123
5.1.1二极管的伏安特性测试 123
5.1.2双极型晶体三极管（BJT）的伏安特性测试 124
5.1.3MOS 场效应管的伏安特性测试 125
5.2晶体三极管放大电路 126
5.2.1单管共射放大电路 126
5.2.2场效应管放大电路 131
5.2.3多级放大电路 133
5.2.4差分放大电路 137
5.2.5低频功率放大电路 139
5.2.6负反馈放大电路 140
5.3集成运算放大器的电压传输特性测试 142
5.4模拟运算电路 145
5.4.1比例运算电路 145
5.4.2加法和减法运算电路 147
5.4.3测量放大电路 148
5.4.4积分和微分运算电路 150
5.4.5模拟运算电路的仿真设计 152
5.5信号处理电路 155
5.5.1有源滤波器 155
5.5.2有源滤波器的仿真设计 159
5.6信号转换电路 161
5.6.1限幅电路 161
5.6.2电压比较器 163
5.6.3电压-电流转换电路 167
5.6.4电压-频率转换电路 169
5.7典型案例的仿真设计 171
5.7.1温度声光报警电路的仿真设计 171
5.7.2固定输出线性直流稳压电源的仿真设计 173
5.7.3线性可调直流稳压电源的仿真设计 175

第6章 基于Multisim 14.0 的数字电路仿真 178
6.1半导体器件的开关特性测试 178
6.1.1二极管的开关特性测试 178
6.1.2晶体三极管的开关特性测试 180
6.2数字逻辑器件的逻辑功能测试 181
6.2.1TTL 与非门的功能测试 181
6.2.2常用组合逻辑部件的逻辑功能测试 184
6.2.3触发器的逻辑功能测试 191
6.2.4时序逻辑部件的逻辑功能测试 195
6.3组合逻辑电路的仿真 197
6.3.1利用全加器实现多位数加法 197
6.3.2编码器的扩展 198
6.3.3利用译码器实现逻辑函数 198
6.3.4利用数据选择器实现逻辑函数 200
6.3.5竞争冒险现象的分析 201
6.3.6利用逻辑转换仪设计组合逻辑电路 202
6.3.7典型案例的仿真设计——键控8421BCD编码器 204
6.4时序逻辑电路的仿真 205
6.4.1顺序脉冲发生器 205
6.4.2多路分频器 206
6.4.3流水彩灯控制电路 207
6.4.4典型案例的仿真设计——简易数字钟电路 208
6.5555定时器应用电路的仿真 211
6.5.1555定时器构成的单稳态触发器 211
6.5.2555定时器构成的施密特触发器 212
6.5.3555定时器构成的多谐振荡器 213
6.5.4555定时器的仿真设计 214
6.5.5典型案例的仿真设计——基于555 定时器的流水灯电路 216
6.6数模和模数转换器 218
6.6.1数模转换器（DAC）  218
6.6.2模数转换器（ADC）  219

第7章 基于Multisim 14.0 的电力电子电路仿真 220
7.1不可控整流电路（AC-DC）  220
7.1.1单相不可控桥式整流电路 220
7.1.2三相不可控桥式整流电路 221
7.2可控整流电路（AC-DC）  222
7.2.1单相可控半波整流电路 223
7.2.2三相可控桥式整流电路 225
7.3逆变电路（DC-AC）  226
7.3.1单相桥式逆变电路 226
7.3.2正弦脉宽调制逆变电路 227
7.3.3三相桥式逆变电路 230
7.4直流斩波电路（DC-DC）  231
7.4.1直流降压斩波电路 231
7.4.2直流升压斩波电路 232
7.4.3直流降压-升压斩波电路 233
7.5交流-交流变换电路（AC-AC）  234
7.5.1单相交流调压电路 234
7.5.2三相交流调压电路 236
7.5.3单相交流-直流-交流变频电路 237

第8章 基于Multisim 14.0 的高频电子电路仿真 238
8.1正弦波振荡电路 238
8.1.1RC 正弦波振荡电路 238
8.1.2LC 正弦波振荡电路 239
8.1.3石英晶体正弦波振荡电路 240
8.2高频小信号谐振放大电路 241
8.3振幅调制与解调电路 243
8.3.1振幅调制电路 243
8.3.2振幅解调电路 246

第9章 基于 Multisim 14.0 的MCU 仿真 248
9.1MCU 仿真模块简介 248
9.2基于汇编语言的MCU 电路仿真 248
9.2.1搭建8051 单片机仿真电路 249
9.2.2编写并编译MCU 源程序 251
9.2.3运行并调试仿真电路 252
9.3基于C 语言的MCU 电路仿真 253
9.3.1搭建PIC16F84 单片机仿真电路 253
9.3.2编写并编译MCU 源程序 254
9.3.3运行并调试仿真电路 255
9.4典型案例的仿真设计 255
9.4.1波形发生器的仿真设计 255
9.4.2交通信号灯控制电路的仿真设计 257

参考文献 261

NI Multisim 14.0 仿真软件是美国国家仪器（National Instruments，NI）公司推出的以Windows 为基础的仿真工具，是特别适合电子系统仿真分析与设计的一款EDA 工具软件。基于“把实验室装进PC 中，软件就是仪器”的理念，NI Mu-l tisim 14.0 仿真软件又称“虚拟电子工作台”，在系统建模和仿真、科学工程设计及应用系统开发等方面均有广泛的应用。
本书以电路分析、模拟电路、数字电路、电力电子电路、高频电子电路和MCU 这几大类电路的基础理论为编排主线，精选典型电路和应用案例进行仿真分析。搭建仿真电路，演示仿真过程，利用各类虚拟仪表和仿真分析方法以波形和数据的形式显示电路的运行状态，并由以上仿真结果总结出电路理论，有助于读者对电路的结构、参数、工作原理和主要性能指标等有更深入的理解，从而提高电路分析和设计的效率，是从电路理论进阶到实操实验必不可少的环节。仿真实例的演示和分析过程避开抽象、枯燥的理论知识讲解和公式推导，读者可以参考典型电路实例边学边做，由浅入深，循序渐进，逐步形成一个完整的电子产品设计思路，从而真正实现“教、学、做”一体化。
本书包含的仿真实例和应用案例紧贴实际工程应用，侧重于各类典型电子电路的分析和设计。仿真实例操作图文并茂，说明翔实，思路清晰，为今后系统设计、综合设计打下良好的基础。读者可扫描书中的二维码，观看典型仿真案例的同步操作讲解视频，做到边看边操作，可帮助读者快速上手。本书配套提供全书仿真实例的仿真源文件，读者可登录www.cipedu.com.cn 下载。
本书由何惠英、付少波、柳贵东担任主编，赵玲、孙昱担任副主编，范毅军、胡云朋、张淼、李纪红、孙梦雯、俞妍、邱文艳、丁娜参加编写，由陈影、曹树聪担任主审。本书作者都是长期工作在高等院校电类课程专业的一线教师，承担过多项电路虚拟仿真技术相关的教学改革课题，擅长在教学设计中融入NI Multisim虚拟仿真技术，并多次在各类电类课程的教学竞赛中取得优异成绩。
本书既可作为初学者的入门与提高教材，也可作为高等院校电类相关专业师生以及工程技术人员进行电路仿真设计的参考书。
由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

编者
2023年5月