基于Multisim的模拟乘法器应用电路仿真实验_赵海滨.pdf

第 31 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.31 No.4Aug.2023电脑与信息技术Computer and Information Technology文章编号：1005-1228（2023）03-0038-03基于 Multisim 的模拟乘法器应用电路仿真实验赵海滨1，田亚男2（1.东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳110819；2.东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110819）摘要：模拟乘法器能够实现两个模拟信号相乘的非线性器件，在运算和处理电路中有广泛的应用。模拟乘法器不仅可以实现乘法运算，还可以和运算放大器结合实现除法运算和平方根运算，以及进行一元二次方程的求解。采用Multisim 软件对模拟乘法器的应用电路进行仿真，简单直观，非常形象，有助于提高学生对电路与电子课程的学习兴趣，有利于提高课程的教学质量。关键词：Multisim 软件；模拟乘法器；模拟电路；仿真实验中图分类号：TN79文献标识码：AApplication Circuit Simulation Experiment of Analog Multiplier Based on MultisimZHAO Hai-bin1,TIAN Ya-nan2（1.School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.School of Information Science and Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China）Abstract：Analog multiplier is a nonlinear device that can realize the multiplication of two analog signals.It is widely used in arithmetic and processing circuits.Analog multiplier can not only realize multiplication,but also can be combined with operational amplifier to realize division and square operation,as well as solve the quadratic equation of one variable.Using Multisim software to simulate the application circuit of analog multiplier is simple,intuitive and very visual,which is helpful to improve students interest in the course of circuit and electronics and improve the teaching quality of the course.Key words:Multisim software;analog multiplier;analog circuits;simulation experiment收稿日期：2022-09-05作者简介：赵海滨（1979-），男，河北唐山人，讲师，博士，主要研究方向：系统仿真技术及其应用。模拟乘法器能够实现两个模拟信号相乘的非线性器件1。模拟乘法器的原理和应用是电路与电子课程的运算处理电路部分的重要内容。模拟乘法器作为模拟集成电路，具有广泛的应用，例如用于混沌电路2和高频电路的振幅调制3等。Multisim 软件可以对数字电路、模拟电路和数字模拟混合电路进行仿真。Multisim 软件简单易学，通过虚拟元件建立各种电路，通过虚拟仪表进行电流和电压等参数的测量，非常的方便和灵活，克服了传统电路分析和设计受实验室硬件条件限制的缺点4。通过 Multisim 软件对电路进行仿真，可以很好的将理论分析和工程实践相结合，提高学生的学习积极性和热情，对于电路与电子课程的教学有非常大的帮助。本文通过 Multisim 软件对模拟乘法器的应用电路进行仿真，主要包括乘法运算、除法运算、平方根运算，以及进行一元二次方程的求解，最后对仿真结果进行了分析。1乘法运算模拟乘法器能够实现两个模拟量相乘，可以用来实现乘法、除法和平方根运算。在 Multisim 软件中，模拟乘法器 MULTIPLIER 位于 Sources 数据库下的CONTROL_FUNCTION_BLOCKS 子库里面，如图 1 所示。DOI:10.19414/ki.1005-1228.2023.04.020第 31 卷 第 4 期39赵海滨等，基于 Multisim 的模拟乘法器应用电路仿真实验 图 1模拟乘法器的位置模拟乘法器有两个输入端，一个输出端。输出电压 u0为两个输入电压（ux和 uy）的乘积。模拟乘法器的输出电压公式，表示为oxyuku u=（1）在公式中 k 为输出增益。如果两个比较大的数值相乘，结果会产生溢出，可以设置比较小的输出增益。输出增益根据实际电路进行设置，通常设置为 1、0.1或-0.1 等。在 Multisim 软件中，模拟乘法器可以直接设置输出增益和偏移量。模拟乘法器的默认参数设置，如图2 所示。图 2模拟乘法器的参数设置采用模拟乘法器和直流电压组成的基本电路，如图 3 所示，通过万用表测量模拟乘法器的输出电压值。模拟乘法器的输出增益设置为 1，输入电压分别为 2V 和-3V，通过万用表测量输出电压为-6V。仿真结果表明，模拟乘法器实现了两个输入电压的相乘功能。模拟乘法器的基本功能实现后，可以对模拟乘法器的应用进行扩展。例如，采用模拟乘法器进行平方运算和立方运算等。图 3乘法运算电路的仿真2除法运算将模拟乘法器和集成运算放大器组成的负反馈电路相结合，可以设计除法运算电路。通过模拟乘法器设计的除法运算电路如图 4 所示。对于集成运算放大器，根据“虚断”的原理，集成运算放大器同相输入端和反向输入端的电流几乎等于零。根据“虚短”的原理，集成运算放大器同相输入端电压和反向端输入电压相等。由于同相输入端通过电阻 R1 接地，同相输入端的电压为零，因此反向输入端的电压也等于零。图 4除法运算电路电阻 R3 和电阻 R2 中的电流大小相等。该电路中集成运放工作在负反馈状态，因此当10iu 时，10ou。同理，当10iu。由于1 iu和ou 反相，所以要求ou 和1ou同符号。因此，当模拟乘法器的输出增益0k 时，2iu应大于零。根据电阻 R3 和电阻R2 的电流相等，可以得到112322ioiouuku uRRR=（2）输出电压ou表示为1232ioiuRukR u=（3）电脑与信息技术 2023 年 8 月40对模拟乘法器组成的除法电路进行仿真，如图5 所示。在除法运算电路中，输入电压分别设定为15.6Viu=，22Viu=，输出增益为1k=。乘法器的输出增益0k，且20iu。通过万用表测量输出电压为2.8Vou=。通过模拟乘法器和集成运算放大器组成了除法运算电路，能够实现两个输入电压的除法运算。图 5除法运算电路的仿真3平方根运算对除法运算电路进行改进，可以实现输入电压的平方根运算。通过模拟乘法器和集成运算放大器可以构成平方根运算电路，如图 6 所示。模拟乘法器的两个输入端一起接到运算放大器的输出端。图 6平方根运算电路下面通过“虚短”和“虚断”的原理对平方根电路进行分析。电阻 R1 的电阻值为 R2 和 R3 的并联电阻值。电阻 R3 和 R2 中的电流相等，得到21322ioouukuRRR=（4）通过整理后，可以得到输出电压为23ioR uukR=（5）为了使根号下的数大于零，必须使 ui和 k 的符号相反。由于uo与ui极性相反，当0iu 和0k 时，输出电压为23ioR uukR=（6）当0iu 时，输出电压为23ioR uukR=（7）对平方根运算电路进行仿真，如图 7 所示。在图 7 的仿真电路中，模拟乘法器的输出增益设定为1k=，输入电压为-8V，电阻为 R2=2k，R3=2k。由于0k，所以输入电压为负值。通过万用表测量输出电压为 2.828V。仿真结果表明，该电路实现了输入电压的平方根运算。图 7平方根运算电路的仿真4一元二次方程求解通过模拟乘法器和集成运算放大器可以设计电路实现一元二次函数。例如，一元二次函数的表达式为2()2f xxx=+（8）通过模拟乘法器和集成运算放大器组成实现一元二次方程的电路。根据一元二次方程，设计的仿真电路，如图 8 所示。模拟乘法器的输出增益设置为k=1。根据前面除法电路和平方根电路的分析方法，可以对该电路进行分析，这里不再赘述。图 8一元二次方程电路在输入端 x 接入一个可调节的直流电压源，调节输入电压，并观察输出 f(x)的值，当 f(x)为 0 时的x 值即为方程的解。求解一元二次方程 x2+x-2=0，可以得到该方程有 2 个实根，分别为 x1=1，x2=-2。通过电路来仿真一元二次方程的求解过程，当输入电压为 1V，即 x1=1 时，电路如图 9 所示，（下转第 57 页）第 31 卷 第 4 期57郭紫琴等，基于知识图谱的中成药智能问答平台构建科学版),2022,(03):171-177.2 前瞻产业研究院.2020 年中国中成药行业发展现状和市场前景分析 疫情加速中成药市场需求 EB/OL.https:/ 国家中医药管理局 一图读懂|关于加快中医药特色发展的 若干政 策措施 EB/OL.https:/- 顾琳基于领域本体的亚健康中医辅助诊断系统的研究及应用 D昆明:云南师范大学，2011.5 贾李蓉,刘丽红,刘静,等.基于中医药学语言系统的知识问答系统的设计与构建 J.中华医学图书情报杂志,2019,28(05):11-14.6 Qu D D,Yang T,Hu K F.Application of NLP in automatic extraction of symptom information from TCM medical records J.Software guide,2021,20(02):44-48 屈丹丹,杨涛,胡孔法.NLP 在中医医案症状信息自动化抽取中的应用研究 J.软件导刊,2021,20(02):44-48.7 颜永超.基于标签信息提取的多标签文本分类研究 D.华东师范大学,2022.8 Vaswani A,Shazeer N,Parmar N,et al.Attention Is All You NeedJ.arXiv,2017.9 羊艳玲,李燕,钟昕妤,等.基于 BiLSTM-CRF 的中医医案命名实体识别 J.中医药信息,2021,38(11):15-21.10 杜琳,曹东,林树元,等.基于 BERT 与 Bi-LSTM 融合注意力机制的中医病历文本的提取与自动分类 J.计算机科学,2020,47(S2):416-420.11 Lafferty,J.,McCallum,A.,Pereira,F.Conditional random fields:Probabilistic models for segmenting and labeling sequence dataC.Proc.18th International Conf.on Machine Learning.Morgan Kaufmann:282289.2001 2016-08-17.12 魏晓,王晓鑫,陈永琪,等.基于自然语言处理的材料领域知识图谱构建方法 J.上海大学学报(自然科学版),2022,28(03):386-398.输出电压非常小，近似为零。当输入电压为-2V 时，即 x2=-2 时，电路如图 10 所示，输出电压也非常小，近似为零。当输入电