hnu 电子电路实验二：用 Multisim 实现实验电路

用 Multisim 打造你的第一块“虚拟电路板”：从放大到滤波的完整实战

说实话，刚进电子工程这个门的时候，最让我抓狂的不是那些密密麻麻的公式，而是—— 为什么我焊了半天的电路，通电后示波器上啥也没有？

是电源接反了？地线忘了接？还是某个电阻拿错了？
查了两个小时，最后发现……只是因为一个电解电容插反了极性。😅

这种“物理试错”的代价太高了：元器件烧掉、时间浪费、心态爆炸。好在现在我们有了 Multisim —— 它就像一块永远不会冒烟、不会短路、还能随时回退的“虚拟电路板”。

今天我们就以湖南大学（HNU）电子电路实验二为蓝本，带你从零开始，在 Multisim 里搭建一个完整的模拟信号处理系统： 从前置滤波到晶体管放大，再到全面性能测试 。不讲空话，只说你能立刻上手的操作和真正踩过的坑。

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先别急着画图，搞懂你要放大的到底是什么

很多同学一打开 Multisim，第一反应就是拖个 NPN 三极管出来，然后开始连电阻、电容……结果仿真一跑，波形歪七扭八，增益对不上，自己也懵了。

问题出在哪？
👉 你还没给晶体管“安家”。

晶体管不是天生就能放大的。它需要一个合适的“工作环境”——也就是我们常说的 静态工作点（Q 点） 。如果 Q 点设得太高，进入饱和区，输出会削顶；太低呢？截止区等着你，信号直接被砍半。

所以第一步，不是放大，而是 偏置 。

分压式偏置：让 Q 点稳如老狗

实验中最常见的结构是 分压式偏置共射放大电路 。比起简单的固定基极电流偏置，它的稳定性强太多了，尤其适合教学场景下反复调试的需求。

来看这个典型结构：

• R1 和 R2 构成分压网络，给基极提供稳定的 VB
• Re 提供负反馈，抑制温度漂移对 IC 的影响
• Rc 将集电极电流的变化转成电压变化
• Cin 和 Cout 是耦合电容，隔直通交
• VCC 一般是 +12V 或 +15V（别忘了接地！）

📌 关键设计原则：
- 要让分压稳定，就得保证流过分压电阻的电流远大于基极电流。经验法则是：
$$
I_{R2} \geq 10 \times I_B
$$
这样才能忽略 IB 对 VB 的扰动。
- 发射极电压 VE 推荐设置为电源电压的 1/5 到 1/3，比如 VCC=12V 时，取 VE≈2.4V，这样既能留足动态范围，又能提升温漂稳定性。

举个例子：
假设你想让 IC = 2mA，β = 100，则 IB ≈ 20μA。
为了让 IR2 ≥ 10×IB = 200μA，总分压电阻 R1+R2 ≤ 12V / 200μA = 60kΩ。
你可以选 R1=47kΩ, R2=15kΩ，这样 VB ≈ 2.9V（考虑负载效应后实际约 2.7V），VE = VB - 0.7 ≈ 2.0V，正好符合预期。

接着算 Re = VE / IE ≈ 2.0V / 2mA = 1kΩ
Rc 取 2.2kΩ 或 3.3kΩ 都行，确保 VCE ≈ 6V 左右，处于放大区中央。

💡 小技巧： 在 Multisim 里可以用 DC Operating Point 分析先看一眼 Q 点：

Simulate → Analyses → DC Operating Point

你会看到每个节点的电压和支路电流，一眼就能判断是不是真的工作在线性区。

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输入信号太“脏”？先过一道 RC 低通滤波

现实中哪有理想的正弦波？各种高频噪声、开关干扰、电磁串扰无处不在。所以在放大之前，加一级 RC 低通滤波器 是非常明智的选择。

别小看这俩元件——一个电阻加一个电容，却是理解频率响应的起点。

截止频率怎么定？

传递函数很简单：
$$
H(j\omega) = \frac{1}{1 + j\omega RC}
$$
对应的幅频特性是：
$$
|H(f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_c)^2}}, \quad f_c = \frac{1}{2\pi RC}
$$

比如说，你想保留 1kHz 以下的信号，那就可以把 fc 设在 1.5kHz 左右。选 C = 10nF，那么：
$$
R = \frac{1}{2\pi f_c C} ≈ \frac{1}{2\pi × 1500 × 10^{-8}} ≈ 10.6kΩ
$$
就近取个标准值 10kΩ 就可以了。

⚠️ 注意一点： 输入阻抗不能太低 。如果你后面接的是放大电路，而 RC 滤波的输出阻抗接近 10kΩ，就会形成分压，导致信号衰减！

解决办法也很简单：
- 增大 R，减小 C，保持 RC 不变但提高输出阻抗
- 或者在滤波后加一级电压跟随器（用运放实现），做阻抗隔离

不过在本次实验中，由于主要目的是教学演示，可以直接串联接入即可。

🔧 操作建议：
在 Multisim 中添加一个 AC Voltage Source，设为 1Vpk，频率可调。
然后走一遍 AC Analysis：

Simulate → Analyses → AC Sweep/Noise Analysis

扫描范围设成 1Hz ~ 1MHz，类型选 Decade，点数设 100。
添加输出节点跟踪 Vo，运行之后就能看到一条标准的 -20dB/dec 下降曲线，拐点就在 fc 处。

🎯 拿这张图去写实验报告，比手算公式直观多了！

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虚拟仪器：你的“数字实验室套装”

以前做实验，得搬一堆设备：函数发生器、示波器、万用表、直流电源……现在？全都在左边工具栏里。

而且它们不只是“长得像”，是真的能用！

函数发生器（Function Generator）

这是你的信号源，相当于实验室里的信号发生器。

常用设置：
- Waveform: sine（正弦）
- Frequency: 1kHz（根据需要调整）
- Amplitude: 10mV~100mV（小信号放大才合理）
- Offset: 0V（交流耦合情况下）

💡 提醒： 如果你用了直流偏置电路，记得不要加太大 offset，否则可能直接把晶体管推到饱和区！

示波器（Oscilloscope）

双通道够用了。CH1 接输入（Cin 后），CH2 接输出（Cout 前）。

观察重点：
- 波形是否失真？顶部削平？底部削平？
- 相位有没有反转？共射电路应该是反相放大，CH2 应该跟 CH1 差 180°
- 幅度比是多少？可以手动测量峰峰值，算出 Av

🖱️ 操作技巧：
- 点击 “Reverse” 可以反显某一通道，方便对比
- 调整 Timebase 到合适档位（比如 0.5ms/div）
- 使用 Cursor 功能精确读取时间差或电压差

万用表（Multimeter）

别只当它是测电压的。它可以切模式：

• Voltage (DC / AC): 测某点对地电压
• Current: 串联进支路测电流（注意方向！）
• Resistance: 断电后测等效电阻（但仿真中慎用）

📌 实用场景：想知道基极电流 IB 多大？把万用表切到 Current 模式，串在基极限流电阻上就行。

波特图仪（Bode Plotter）

这才是真正的“神器”。

它不像 AC Sweep 那样需要预先配置，而是直接连两个端口：
- IN+: 接输入信号两端
- OUT+: 接输出信号两端

然后点击 “Magnitude” 或 “Phase”，自动扫频画出波特图！

✅ 优点：
- 快速获取带宽、增益、相移
- 不用手动改频率一个个测
- 图形化界面友好，适合展示

🔍 缺点：
- 分辨率不如 SPICE 级别的 AC 分析精细
- 无法导出原始数据（想做拟合的话还得靠 Analysis）

所以建议两者结合使用：先用 Bode Plotter 快速定位，再用 AC Sweep 得到高精度曲线用于分析。

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把所有模块串起来：构建完整信号链

好了，现在我们把前面几个部分拼成一个完整的系统：

[AC Source] 
     ↓
[Cin=10μF] → [R1//R2] → [Base of Q1]
                 |            |
                GND          [Re=1kΩ] → GND
                             [Ce=10μF] → GND （旁路电容，提升增益）
                             |
                            [Rc=3.3kΩ] → VCC (+12V)
                             |
                           [Cout=10μF] → [Load Resistor = 10kΩ] → GND
                             |
                         [To Scope CH2]

前置还可以加上：

[Input] → [R=10kΩ] → [C=10nF] → GND → 输出至 Cin

这就是一个典型的两段式结构： RC 滤波 + 共射放大 。

如何验证它真的能工作？

三步走战略：

第一步：跑个瞬态分析（Transient Analysis）

目的：看时间域波形，检查放大效果和失真情况。

设置：
- Stop time: 5ms
- Maximum time step: 1e-6 s
- 添加两个输出变量：Vin（输入）、Vout（输出）

运行后打开 Grapher View，你会看到两个正弦波。理想情况下，Vout 应该是 Vin 的放大版，并且反相。

🔍 观察要点：
- 是否有削顶或削底？→ Q 点不对
- 波形是否畸变？→ 输入太大 or 增益过高
- 幅度比是否接近理论值？Av ≈ -Rc / re，其中 re = 26mV / IE

比如 IE = 2mA，则 re ≈ 13Ω，若没有 Ce 旁路，Av ≈ -3300 / (13 + 1000) ≈ -3.2；
如果有 Ce，Av ≈ -3300 / 13 ≈ -250，差别巨大！

👉 所以 旁路电容 Ce 决定了你是要稳定还是要增益 ，这是个权衡。

第二步：做一次 AC 扫描分析

目的：看频率响应，找上限频率、增益平坦度。

设置：
- 扫描类型：Decade
- 频率范围：10Hz ~ 1MHz
- 输入源：AC Source
- 输出节点：Vout

运行后生成波特图，你会发现：
- 低频段增益稳定
- 中频平坦
- 高频滚降，通常是 -20dB/dec 或更陡

为什么会高频下降？除了 RC 滤波本身的限制外，还有晶体管的 密勒效应（Miller Effect） 在作祟。

BJT 的 Cbc 会被放大 β 倍，等效到输入端形成一个很大的“虚假电容”，严重影响高频响应。

🔧 解决方案（拓展）：
- 降低 Rc（牺牲增益换带宽）
- 使用共基或共栅结构
- 加入补偿网络

但对于本实验来说，能看到高频衰减就已经达到教学目标了。

第三步：回头看看直流工作点

有时候你明明参数都按书上来的，可仿真就是不对劲。

这时候一定要回去看 DC Operating Point ！

重点关注：
- VB, VE, VC 各是多少？
- VCE = VC - VE ≈ ? （理想应在 6V 左右）
- IC ≈ ? （是否接近设计值）

举个真实案例：有一次我仿真的时候发现输出几乎没信号，查了半天才发现 Re 上的压降只有 0.3V，说明 IE 太小，Q 点太低！

原来是 R2 被误设成了 100kΩ……本来应该 15kΩ 的。😅

这种低级错误实物实验很难快速定位，但在 Multisim 里，点一下分析菜单就暴露无遗。

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那些年我们都遇到过的“诡异现象”及应对策略

🌪️ 问题 1：输出波形上下都削了 —— Q 点在中间，怎么还削？

听起来矛盾，其实很常见。

原因可能是： 输入信号太大了！

即使 Q 点设在中心，但如果输入是 100mVpp，而你的放大倍数是 100，输出就是 10Vpp。而电源才 ±12V，VCE 最大摆幅也就 10V 左右，自然两边都被卡住。

✅ 解法：
- 减小输入幅度（试试 10mV）
- 或者降低增益（增大 Re，去掉 Ce）

记住一句话： 动态范围永远受限于电源电压和 Q 点位置 。

🔌 问题 2：完全没输出，一片平直

首先问自己三个问题：
1. 电源上了吗？VCC 是不是悬空？
2. 地接了吗？整个电路必须有一个公共参考点（Ground）
3. 耦合电容有没有开路？特别是 Cin 和 Cout，如果容量太小，在低频下容抗极大，相当于断路

🔧 快速排查法：
- 用万用表测 VCC 到地是否有 12V
- 测基极电压是否接近预期（如 2.7V）
- 测集电极电压是否在 6~8V 之间

如果全是 0V → 电源或地有问题
如果基极为 0V → 偏置网络断路
如果集电极为 12V → 没有 IC 流过，晶体管截止

一步步来，别慌。

📉 问题 3：增益只有理论值的一半

你以为 Av = -Rc/re ≈ -200，结果仿真出来才 -100？

常见原因如下：

可能原因	检查方法
负载效应	实际负载 RL 与 Rc 并联，有效 Rc↓
β 值偏低	默认模型 β 可能只有 50~100
Ce 未完全旁路	若 Ce 太小，高频下仍存在阻抗
输入信号内阻影响	信号源内阻与 Rin 形成分压

👉 特别注意：Multisim 默认的 2N2222 晶体管虽然是常用型号，但其 SPICE 参数比较复杂，β 并非恒定。你可以右键 → Replace Component → 选择 “Virtual NPN” 并自定义 Beta。

例如新建一个 Beta=200 的虚拟管子，再仿真看看增益会不会上升。

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教学之外：这些技能未来真的用得上

我知道很多人心里在想：“这不就是应付个实验嘛，反正又不用焊板子。”

但我想告诉你： 你现在练的每一步，都是将来做项目的基础 。

• 你在 Multisim 里学会的 偏置设计、频率响应分析、仪器使用 ，正是企业里工程师每天在做的事。
• 你调试失真波形的过程，就是在训练 系统思维和故障排查能力 。
• 你写的实验报告里的波特图、Q 点表格、增益计算，本质上就是一份微型 技术文档 。

而且，HNU 的这套实验体系并不是孤立的。往后走：
- 模电课要做多级放大、差分放大
- 数电课要用 Multisim 搭逻辑门、触发器
- 毕设可能要做音频放大器、信号采集系统

而所有这些，都可以先在 Multisim 里完成原型验证。

📌 更进一步：Multisim 支持与 LabVIEW 联合仿真，甚至可以把你的电路导出为 PCB 布局（通过 Ultiboard），实现“仿真 → 设计 → 制板”全流程打通。

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给 HNU 同学们的几点贴心建议

1. 别等到最后一晚才动手
   Multisim 看似简单，但第一次用很容易卡在连线、接地、仪器连接这些细节上。提前两天开干，留足调试时间。

2. 善用“Undo”和“Copy Circuit”功能
   改动前先复制一份原电路，防止改崩了回不去。Ctrl+Z 是救命键。

3. 截图要清晰，标注要明确
   实验报告里贴波形图时，记得标清楚通道、量程、信号频率。老师一眼就能看出你有没有认真做。

4. 尝试拓展实验内容
   比如：
   - 给放大器加负反馈，观察增益稳定性提升
   - 把 RC 滤波换成有源滤波（用 LM741）
   - 设计两级放大，研究级间耦合影响

这些不仅能加分，更重要的是锻炼综合设计能力。

5. 保存好自己的 .ms14 文件
   以后复习模电、准备面试、参加电子竞赛都能拿出来参考。这是我当年做的第一个放大电路，现在还能打开运行 😎

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写在最后：当你开始享受“看见信号流动”的那一刻

你知道最有意思的是什么吗？

当你终于调好了电路，按下 Run 键，看着示波器上跳出两个完美同步的正弦波，一个微弱，一个强劲，相位相反……

那一刻你会突然觉得： 原来电信号真的是“活”的 。

它穿过电容，爬上基极，推动载流子穿越 PN 结，在集电极掀起一场小小的电流风暴，最后变成屏幕上跳动的光影。

而你，是这场风暴的指挥官。

Multisim 不只是一个软件，它是你通往电子世界的一扇门。
你现在走的每一步，都在为未来的某一块真实电路板铺路。

所以，别把它当成任务。
把它当成一场探索之旅吧。🚀