基于Multisim的傳感器課程應用研究

白沖沖 張凡

摘要：分析了Multisim軟件的特點和優勢，提出將其引入傳感器類課程的仿真實驗教學中。針對傳統仿真實驗課的特點，通過采用Multisim軟件對PN結溫度傳感器實例進行建模仿真，介紹了Multisim軟件在輔助傳感器仿真實驗課程教學中的一般應用過程，有助于提高學生學習的主動性，培養學生實踐操作、綜合分析、開發研究和創新的能力。

關鍵詞：Multisim軟件;傳感器;仿真實驗;PN結

引言

進入新世紀以來隨著科技技術的不斷更新發展，世界上眾多的計算機軟件公司陸續推出專門用于電子電路及傳感器技術虛擬仿真的模擬軟件，給研究者們學習和分析電子技術帶來了極大的便利。截至到目前被廣泛應用于電子電路仿真的軟件有很多，主要包括Multisim、Proteus、Protel等常用軟件，這些軟件各有不同優勢。仿真軟件中Multisim是美國NI公司推出的一款EDA軟件，它為用戶提供了豐富的元器件庫和功能齊全的各類虛擬儀器[1]。軟件提供了全面集成化的設計環境，能完成原理圖設計、電路仿真分析和電路功能測試等項工作，在Multisim標準組件庫中，有不少虛擬元器件和儀器的型號是與實驗室現場使用的實際元器件及儀器幾乎完全一致[2]。Multisim仿真軟件可以讓開發者在仿真過程中隨意改變模型數據參數，實時觀察系統數據變化，交互性好，由于是仿真軟件避免了實驗儀器損壞與試驗材料的消耗，大大降低了研究成本，同時仿真結果接近實際實驗效果，對研究開發電子電路及傳感器設計有很高的參考指導價值。Multisim仿真軟件有利于學生在仿真實驗過程中加深對本課程基本理論、基本概念的理解與掌握，同時在使用的過程中可以減輕學生對數學推演的壓力，且仿真軟件能直觀生動的再現實驗現象及結論，能更好的調動學生學習的積極性和主動性[3]。

一、引入Mulltism仿真實例

一般傳統的傳感器類實驗課程是學生將課堂上所掌握的傳感器檢測電路按照相應理論步驟在傳感器試驗箱上連接其測量電路，通過實驗平臺的測試數據與理論值進行分析總結，在實驗操作過程中學生通常只能按照傳感器試驗箱配套的實驗指導書完成相應測量電路的連接，由于所連接的傳感器電路受到試驗箱的限制，所連接的整個實驗電路基本都是固定不變的，電路搭建所使用的電子元器件也是固定的，試驗箱的這種封閉式實驗操作也不允許學生隨意改動和創新電路，不利于學生掌握傳感器內部電路連接及學生主動學習和再次開發，同時受限于試驗箱器件數量學生無法實現一些特殊類傳感器的實驗操作。因此鑒于試驗箱操作實驗的不足，我們可以在試驗箱實驗課之前，課堂理論教學之后，加上基于Multisim的仿真實驗。學生在理論課程學習之后可利用Multisim中豐富的元器件庫和虛擬儀器，可根據不同實驗要求選擇調整不同的虛擬儀器模擬傳感器檢測電路，將整個測量電路在Multisim軟件中進行搭建仿真，同時還可修改其中一些器件的物理參數，最后分析對測量結果的影響，這能夠促使學生們非常愿意在自主學習中將Multisim仿真電路與傳統硬件實驗電路相互對照，大大提升了學生們對整個傳感器電路的理解掌握，同時也激發學生的學習與探索的興趣。

以典型的PN半導體溫度傳感器為例：溫度傳感器是將溫度變化量轉化為電量變化量的檢測裝置，溫度傳感器包含有很多種不同類型，其中PN結溫度傳感器是非常典型的溫度傳感器。它是利用半導體二極管PN結的正向導通壓降受溫度影響而變化的特性研制成的一種固態溫敏傳感器，它具備靈敏度高、體積小、非線性小、響應速度快等特點，已經成為一種新的測溫傳感器應用與眾多領域。一般PN結溫度傳感器電路主要有溫敏二極管、電橋轉換電路、直流電源、運放電路、電壓跟隨電路以及測量電路組成，工作轉換過程是二極管受溫度影響造成其電阻值發生變化，通過電橋電壓電路將電阻變化量轉變成相應電壓變化值輸出，運放電路和電壓跟隨電路分別控制電壓變化值的放大輸出和電壓的反饋穩定，由測量電路對電壓值進行測量及檢測，最終實現了溫度到電壓信號的測量轉變。只要具備合適的參雜濃度，半導體二極管反向飽和電流在一定溫度范圍內近似為常數，所以PN結導通電壓與溫度成線性關系，這樣溫度的變化可以轉化為PN結導通電壓的變化，利用這種特性可以制成半導體PN結溫敏傳感器。一般硅管半導體PN結溫度傳感器的結壓降受溫度影響，每升高1℃電壓下降2mV，可直接采用硅晶體三極管（短接基極和集電極）或硅二極管來制成PN結溫度傳感器，且具備一定的線性，測溫范圍可達-50℃～+150℃，滿足一般場合對于溫度測量的需求。

二、搭建仿真模型

本次仿真采用Multisim14.0軟件進行仿真，首先開啟Multisim仿真軟件，根據前面的理論分析搭建傳感器測量各個模塊仿真電路，按理論值設定仿真電路中相關元器件的參數，并利用Multisim的虛擬測量儀器記錄相關實驗數據，同時仿真中可選擇Multisim相應虛擬儀器搭建試驗箱電路，便于與實際電路作對比。傳感器仿真模型包括PN傳感器模塊、轉換電橋模塊、運算放大電壓轉換電路及測量模塊，軟件搭建的仿真電路圖如圖1所示，該仿真電路中，將D1二極管作為PN溫度傳感器，二極管型號選用1N4148，D1與電阻R1、R2、R9構成傳感器電壓轉換電路，供電電壓為5V，運放電路U1A與U2A搭建了電壓放大輸出電路，U2A為電壓跟隨電路，其中運算放大器選取了在后續搭建實際電路為同學們準備的常用運放LM358A。仿真模型中各個模塊初始工作溫度設定值為27℃，當測定溫度發生變化時，D1作為溫度傳感器模塊溫度設定值為測定溫度，此時由D1與R1、R2、R9構成的電壓轉換電路將有不同的電壓值輸出，該電壓值隨測定溫度變化而變化，然后經過電壓放大電路處理后可以通過電壓值大小來測定溫度，最后把具體的溫度變化經過處理后轉變為相應的電壓值變化，并選取電壓測量模塊XMM2來顯示最終仿真結果。

在仿真過程中，學生可任意改變器件參數設置，比如二極管初始溫度選擇，電阻阻值的改變等來觀察測量結果的變化，從而加深理解傳感器內部電路中各個器件的作用原理，有利于提高學生們的學習主動性，在仿真結束后，學生們可在面包電路板上根據仿真模型靈活搭建實際電路，完成后續的實驗測量。通過測量模塊數據統計后得到溫度與電壓關系圖如圖2所示，其中縱坐標為電壓值（V），橫坐標為溫度值（℃），可以看出在測量范圍內傳感器溫度值與輸出電壓為線性關系，Multisim仿真電路和實際理論值基本一致。虛擬仿真消除了學生在實驗過程中損壞儀器的顧慮，使同學們對儀器的使用更加自信和熟悉，反過來學生反復練習熟練使用虛擬儀器的同時也大大降低了學生由于誤操作造成真實儀器損壞的可能性。在實際情況下，由于測量的溫度值是不斷變化的，在搭建的實際電路時還會存在電路干擾、電路接觸不良等因素，最后造成測量的輸出值誤差較大。在實驗之前先進行仿真，讓同學們弄清楚電路構造，有助于同學們在實際電路檢測時找出電路中的問題，例如電路連接錯誤和器件損壞等，進而能夠更加順利地完成實驗。

三、學習效果

通過Multisim仿真實驗，其仿真數據結果與理論計算值非常接近，且Multisim有豐富的元器件庫可供選擇，元件參數修改方便，避免了由于多次焊接而損壞器件和電路板，使電路調試變得快捷方便，也節省了實驗成本。軟件提供的各種豐富的元器件彌補了學生在實際電路搭建過程中元器件不足的窘迫，同時，學生對元器件的誤操作軟件會出現相應的提示，避免了在實際電路實驗過程中對器件或儀器的損壞。傳統的傳感器類課程理論講解，內容較為抽象枯燥，學生很難理解接受，學生學習積極性不高，增加仿真實驗課，引入Multisim軟件后，學生可在實驗之前分析電路的特性，更改參數觀察對電路的影響，通過仿真模型系統掌握傳感器電路運行原理。仿真軟件中豐富的可調器件和儀器便于學生任意調用，提高同學們動手操作的積極性，此外學生可以快速觀察實驗過程的各個參數變化和仿真結果，大大節省了實驗時間從而提高了課程學習效率。

結束語

在引入Multisim仿真軟件實驗后，通過相關傳感器類課程的實踐，收到了很好的教學效果。仿真實驗與理論課堂教學相配合，既能驗證理論知識，又提高了學生的實際動手能力和學習興趣，并且仿真實驗彌補了傳統實驗課程的不足，能夠讓學生全程參與到實驗電路的設計、分析和實驗過程中，有利于學生實踐能力、創新能力和設計開發能力的培養，也加強了教學的互動性，大大提升了學生的學習主動性和積極性。

參考文獻：

[1]李良榮，李震，顧平.NI Multisim電子設計技術[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]潘曉明，龔軍，汪小燕.正確運用Multisim器件模型仿真NE5532最大輸出幅值[J].實驗室研究與探索，2018，37（8）：98-101.

[3]陳莉.Multisim在電路分析課程實踐教學中的應用[J].電子世界，2017，（6）：60.

作者簡介：

白沖沖，男，碩士，西南交通大學希望學院，研究方向：嵌入式系統，機器人控制等。