基于Multisim10的电子仿真试验与设计 Multisim10 基本分析方法.ppt

2、Multisim10 的基本分析方法的基本分析方法1主要内容2.1 直流工作点分析（DC Operating Point Analysis）2.2 交流分析（AC Analysis）2.3 瞬态分析（Transient Analysis）2.4 傅立叶分析（Fourier Analysis）2.5 失真分析（Distortion Analysis）2.6 噪声分析（Noise Analysis）2.7 直流扫描分析（DC Sweep Analysis）2 Multisim10为仿真电路提供了两种分析方法，即利用虚拟仪表观测电路的某项参数和利用Multisim10 提供的十几种分析工具，进行分析。常用的分析工具有：直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、失真分析、噪声分析和直流扫描分析。利用这些分析工具，可以了解电路的基本状况、测量和分析电路的各种响应，且比用实际仪器测量的分析精度高、测量范围宽。下面将详细介绍常用基本分析方法的作用、分析过程的建立、分析对话框的使用以及测试结果的分析等内容。3 直流工作点分析也称静态工作点分析，电路的直流分析是在电路中电容开路、电感短路时，计算电路的直流工作点，即在恒定激励条件下求电路的稳态值。在电路工作时，无论是大信号还是小信号，都必须给半导体器件以正确的偏置，以便使其工作在所需的区域，这就是直流分析要解决的问题。了解电路的直流工作点，才能进一步分析电路在交流信号作用下电路能否正常工作。求解电路的直流工作点在电路分析过程中是至关重要的。2.1 直流工作点分析42.1.1构造电路构造电路 为了分析电路的交流信号是否能正常放大，必须了解电路的直流工作点设置得是否合理，所以首先应对电路得直流工作点进行分析。在Multisim10工作区构造一个单管放大电路，电路中电源电压、各电阻和电容取值如图所示。5 执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择DC Operating Point，则出现直流工作点分析对话框，如图所示。直流工作点分析对话框包括3页。61.Output 页页 Output 页用于选定需要分析的节点。左边Variables in circuit 栏内列出电路中各节点电压变量和流过电源的电流变量。右边Selected variables for 栏用于存放需要分析的节点。具体做法是先在左边Variables in circuit 栏内中选中需要分析的变量（可以通过鼠标拖拉进行全选），再点击Plot during simulation 按钮，相应变量则会出现在Selected variables for 栏中。如果Selected variables for 栏中的某个变量不需要分析，则先选中它，然后点击Remove按钮，该变量将会回到左边Variables in circuit 栏中。72.Analysis Options页页 点击Analysis Options按钮进入Analysis Options页，其中排列了与该分析有关的其它分析选项设置，通常应该采用默认的。83.Summary页页 点击Summary按钮进入Summary页，如图所示。Summary页中排列了该分析所设置的所有参数和选项。用户通过检查可以确认这些参数的设置。92.1.3 检查测试结果检查测试结果 直流工作点的测试结果如图所示。测试结果给出电路各个节点的电压值。根据这些电压的大小，可以确定该电路的静态工作点是否合理。如果不合理，可以改变电路中的某个参数，利用这种方法，可以观察电路中某个元件参数的改变对电路直流工作点的影响。10 交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它计算电路的幅频特性和相频特性，是一种线性分析方法。Multisim 10在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线性元件做线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路，并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。在进行交流分析时，电路工作区中自行设置的输入信号将被忽略。也就是说，无论给电路的信号源设置的是三角波还是矩形波，进行交流分析时，都将自动设置为正弦波信号，分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲线。2.2 交流分析112.2.1 构造电路构造电路 这里仍采用单管放大电路作为实验电路，电路如图所示。122.2.2启动交流分析工具启动交流分析工具 执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择AC Analysis，则出现交流分析对话框，如图所示。13 对话框中Frequency Parameters页的设置项目、单位以及默认值等内容见表所示。项项目目默默认值认值注注释释Start frequencyStart frequency（起（起始始频频率）率）1 1交流分析交流分析时时的起始的起始频频率，可率，可选单选单位位有：有：HzHz、KHzKHz、MHzMHz、GHzGHzStop frequencyStop frequency（终终止止频频率）率）1010交流分析交流分析时时的的终终止止频频率，可率，可选单选单位位有：有：HzHz、KHzKHz、MHzMHz、GHzGHzSweep typeSweep type（扫扫描描类类型）型）DecadeDecade（1010倍刻倍刻度度扫扫描）描）交流分析曲交流分析曲线线的的频频率率变变化方式，可化方式，可选选有：有：DecadeDecade、LinearLinear（线线性刻度性刻度扫扫描）、描）、OctaveOctave（8 8倍刻度倍刻度扫扫描）描）Number of points per Number of points per decadedecade（扫扫描点数）描点数）1010起点到起点到终终点共有多少个点共有多少个频频率点，率点，对对线线性性扫扫描描项项才有效才有效Vertical scaleVertical scale（垂直（垂直刻度）刻度）LogarithmLogarithmicic（对对数）数）扫扫描描时时的垂直刻度，可的垂直刻度，可选项选项有：有：LinearLinear、LogarithmicLogarithmic、DecibelDecibel、OctaveOctave142.2.3 检查测试结果检查测试结果 电路的交流分析测试曲线如图所示,测试结果给出电路的幅频特性曲线和相频特性曲线,幅频特性曲线显示了3号节点（电路输出端）的电压随频率变化的曲线；相频特性曲线显示了7号节点的相位随频率变化的曲线。由交流频率分析曲线可知，该电路大约在7Hz 24MHz范围内放大信号，放大倍数基本稳定，且相位基本稳定。超出此范围，输出电压将会衰减，相位会改变。15 瞬态分析是一种非线性时域分析方法，是在给定输入激励信号时，分析电路输出端的瞬态响应。Multisim在进行瞬态分析时，首先计算电路的初始状态，然后从初始时刻起，到某个给定的时间范围内，选择合理的时间步长，计算输出端在每个时间点的输出电压，输出电压由一个完整周期中的各个时间点的电压来决定。启动瞬态分析时，只要定义起始时间和终止时间，Multisim可以自动调节合理的时间步进值，以兼顾分析精度和计算时需要的时间，也可以自行定义时间步长，以满足一些特殊要求。2.3 瞬态分析162.3.1 构造电路构造电路 构造一个单管放大电路，电路中电源电压、各电阻和电容取值如图所示。172.3.2 启动瞬态分析工具启动瞬态分析工具 执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择Transient Analysis，出现瞬态分析对话框，如图所示。18 瞬态分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目、单位以及默认值等内容见表所示。选项选项默默认认值值含含义义和和设设置要求置要求ParParameamententersrs（参参数）数）Start timeStart time（起始（起始时时间间）0 s0 s瞬瞬态态分析的起始分析的起始时间时间必必须须大于或等于零，且大于或等于零，且应应小于小于结结束束时间时间。End timeEnd time（终终止止时间时间）0.0010.001s s瞬瞬态态分析的分析的终终止止时间时间必必须须大于起始大于起始时间时间。MaximunMaximun time step time step settingssettings（设设置最大置最大时时间间步步长长）选选中中如果如果选选中中该项该项，则则可以在以下三相中挑可以在以下三相中挑选选一一项项。Minimum number of time pointsMinimum number of time points、Maximum time Maximum time stepstep、Generate time steps automaticallyGenerate time steps automaticallyMinimum number of Minimum number of time pointstime points（最小（最小时时间间点数）点数）100100自起始自起始时间时间至至结结束束时间时间之之间间，模，模拟输拟输出的点数。出的点数。Maximum time stepMaximum time step（最大步（最大步进时间进时间）1e-1e-005 s005 s模模拟时拟时的最大步的最大步进时间进时间。Generate time steps Generate time steps automaticallyautomatically（自（自动动产产生步生步进时间进时间）选选中中MultisimMultisim 将自将自动动决定最决定最为为合理最大步合理最大步进时间进时间。192.3.3 检查分析结果检查分析结果 放大电路的瞬态分析曲线如图1.7.8所示。分析曲线给出输出节点1电压随时间变化的波形，纵轴坐标是电压，横轴是时间轴。从图中可以看出输出瞬态波形初始值为单管放大电路节点1直流工作点电压9.6772V。瞬态分析的结果同样可以用示波器观察到。20 傅立叶分析是一种分析复杂周期性信号的方法。它将非正弦周期信号分解为一系列正弦波、余弦波和直流分量之和。根据傅立叶级数的数学原理，周期函数f(t)可以写为 傅立叶分析以图表或图形方式给出信号电压分量的幅值频谱和相位频谱。傅立叶分析同时也计算了信号的总谐波失真（THD），THD定义为信号的各次谐波幅度平方和的平方根再除以信号的基波幅度，并以百分数表示：2.4傅立叶分析212.4.1 构造电路构造电路 构造一个单管放大电路，电路中电源电压、各电阻和电容取值如图所示。该放大电路在输入信号源电压幅值达到50mv时，输出端电压信号已出现较严重的非线性失真，这也就意味着在输出信号中出现了输入信号中未有的谐波分量。222.4.2 启动交流分析工具启动交流分析工具 执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择Fourier Analysis，则出现傅立叶分析对话框，如图所示。23 傅立叶分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目及默认值等内容见表所示。选项选项区区选项选项含含义义和和设设置要求置要求Sampling Sampling optionsoptions（采（采样选项样选项）Frequency resolutionFrequency resolution（基（基频频）取交流信号源取交流信号源频频率。如果率。如果电电路中有多个交路中有多个交流信号源，流信号源，则则取各信号源取各信号源频频率的最小公因率的最小公因数。点数。点击击EstimateEstimate按按钮钮，系，系统统将自将自动设动设置。置。Number of harmonicsNumber of harmonics（谐谐波数）波数）设设置需要置需要计计算的算的谐谐波个数。波个数。Stop time for samplingStop time for sampling（停止采（停止采样时样时间间）设设置停止采置停止采样时间样时间。如点。如点击击EstimateEstimate按按钮钮，系系统统将自将自动设动设置。置。ResultsResults(结结果果)Display phaseDisplay phase（相位（相位显显示）示）如果如果选选中，分析中，分析结结果果则则会同会同时显时显示相示相频频特特性。性。Display as bar graph(Display as bar graph(线线条条图图形方式形方式显显示示)如果如果选选中，以中，以线线条条图图形方式形方式显显示分析的示分析的结结果。果。Normalize graphsNormalize graphs（归归一化一化图图形）形）如果如果选选中，分析中，分析结结果果则绘则绘出出归归一化一化图图形。形。DisplaysDisplays（显显示）示）显显示形式示形式选择选择：可：可选选ChartChart（图图表）、表）、GraphGraph（图图形）或形）或ChartandChartand Graph Graph（图图表和表和图图形）。形）。VericalVerical Scale Scale（纵轴纵轴刻度）刻度）纵轴纵轴刻度刻度选择选择：可：可选选LineaLinea（线线性）、性）、LogrithmicLogrithmic（对对数）、数）、DecibelDecibel（分（分贝贝）、）、或或OctaveOctave（八倍）。（八倍）。242.4.3 检查分析结果检查分析结果 傅立叶分析结果如图所示。如果放大电路输出信号没有失真，在理想情况下，信号的直流分量应该为零，各次谐波分量幅值也应该为零，总谐波失真也应该为零。从图可以看出，输出信号直流分量幅值约为1.15V，基波分量幅值约为4.36 V，2次谐波分量幅值约为1.58 V，从图表中还可以查出3次、4次及5次谐波幅值。同时可以看到总谐波失真（THD）约为35.96%，这表明输出信号非线性失真相当严重。线条图形方式给出的信号幅频图谱直观地显示了各次谐波分量的幅值。25放大放大电电路路输输出信号没有失真情况下分析出信号没有失真情况下分析结结果果放大放大电电路路输输出信号出信号严严重失真情况下分析重失真情况下分析结结果果26 放大电路输出信号的失真通常是由电路增益的非线性与相位不一致造成的。增益的非线性将会产生谐波失真，相位的不一致将产生互调失真。Multisim失真分析通常用于分析那些采用瞬态分析不易察觉的微小失真。如果电路有一个交流信号，Multisim的失真分析将计算每点的二次和三次谐波的复变值；如果电路有两个交流信号，则分析三个特定频率的复变值，这三个频率分别是：（f1f2），（f1f2），（2f1f2）。2.5 失真分析272.5.1构造电路构造电路 设计一个单管放大电路，电路参数及电路结构如图所示。对该电路进行直流工作点分析后，表明该电路直流工作点设计合理。在电路的输入端加入一个交流电压源作为输入信号，其幅度为10mV，频率为1kHz。282.5.2启动失真分析工具启动失真分析工具 执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择Transient Analysis，则出现瞬态分析对话框，如图所示。29 失真分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目、单位以及默认值等内容见表所示。选项选项默默认值认值含含义义和和设设置要求置要求Start frequencyStart frequency（起始（起始频频率）率）1Hz1Hz设设置起始置起始频频率。率。Stop frequencyStop frequency（终终止止频频率）率）10GHz10GHz设设置置终终止止频频率。率。Sweep typeSweep type（扫扫描描类类型）型）DecadeDecade扫扫描描类类型可型可选选DecadeDecade（1010倍刻度倍刻度扫扫描）、描）、LinearLinear（线线性刻度性刻度扫扫描）或描）或OctaveOctave（8 8倍刻度倍刻度扫扫描）。描）。Number of points per Number of points per decadedecade(十倍十倍频频点数点数)1010设设置每十倍置每十倍频频的采的采样样点数。点数。Vertical scaleVertical scale（垂直刻度）（垂直刻度）LogarithmLogarithm垂直刻度可以垂直刻度可以选选LinearLinear（线线性）、性）、LograrithmLograrithm（对对数）、数）、DecibelDecibel（分（分贝贝）或）或OctaveOctave（八倍）。（八倍）。F2/F1 ratioF2/F1 ratio0.10.1（不（不选选）选选中中时时，在，在F1F1扫扫描期描期间间，F2F2设设定定为该为该比率乘以起始比率乘以起始频频率，率，应应 00，11。Reset to main AC valuesReset to main AC values按按钮钮将所有将所有设设置恢复置恢复为为与交流分析相同的与交流分析相同的设设置置值值。Reset to defaultReset to default按按钮钮将所有将所有设设置恢复置恢复为为默默认值认值。302.5.3检查分析结果检查分析结果 电路的失真分析结果如图所示。由于该电路只有一个输入信号，因此，失真分析结果给出的是谐波失真幅频特性和相频特性图。31电路中的电阻和半导体器件在工作时都会产生噪声，噪声分析就是定量分析电路中噪声的大小。Multisim提供了热噪声、散弹噪声和闪烁噪声等3种不同的噪声模型。噪声分析利用交流小信号等效电路，计算由电阻和半导体器件所产生的噪声总和。假设噪声源互不相关，而且这些噪声值都独立计算，总噪声等于各个噪声源对于特定输出节点的噪声均方根之和。2.6 噪声分析322.6.1构造电路构造电路 构造单管放大电路，双击信号电压源符号，在属性对话框中Distortion Frequency 1 Magnitude:项目下设置为1V。然后继续分析该单管放大电路。332.6.2启动噪声分析工具启动噪声分析工具 执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择Noise Analysis，则出现噪声分析对话框，如图所示。34 噪声分析对话框中Analysis Parameters页的设置项目及其注释等内容见表所示。35 噪声分析对话框中Frequency Parameters页如图所示。其中设置项目及其注释等内容见下表所示。36选项选项默默认值认值含含义义和和设设置要求置要求Input noise reference Input noise reference sourcesource（输输入噪声参考源）入噪声参考源）电电路的路的输输入源入源选择选择交流信号源交流信号源输输入。入。Output nodeOutput node（输输出出节节点）点）电电路中的路中的节节点点选择输选择输出噪声的出噪声的节节点位置。在点位置。在该该节节点点计计算算电电路所有元器件路所有元器件产产生的生的噪声噪声电压电压均方根之和。均方根之和。Reference nodeReference node（参考（参考节节点）点）0 0默默认值为认值为接地点。接地点。Set points per Set points per summarysummary（设设置每置每汇总时计汇总时计算的算的点数）点数）1 1选选中中时时，噪声分析，噪声分析时时将将产产生所生所选选元件的噪声元件的噪声轨轨迹，在右迹，在右边边填入填入频频率步率步进进数。数。372.6.3检查分析结果检查分析结果 这里仍采用单管放大电路作为实验电路，噪声分析Analysis Parameters选项卡设置见前图。下图是选取十倍程的扫描方式下，输出变量为inoise-spectrum(输入噪声频谱)和onoise-spectrum(输出噪声频谱)的输出波形。其中上面一条曲线是总的输出噪声电压随频率变化曲线，下面一条曲线是等效的输入噪声电压随频率变化曲线。38 直流扫描分析是根据电路直流电源数值的变化，计算电路相应的直流工作点。在分析前可以选择直流电源的变化范围和增量。在进行直流扫描分析时，电路中的所有电容视为开路，所有电感视为短路。在分析前，需要确定扫描的电源是一个还是两个，并确定分析的节点。如果只扫描一个电源，得到的是输出节点值与电源值的关系曲线。如果扫描两个电源，则输出曲线的数目等于第二个电源被扫描的点数。第二个电源的每一个扫描值，都对应一条输出节点值与第一个电源值的关系曲线。2.7 直流扫描分析392.7.1构造电路构造电路 构造如图所示单管放大电路。40 执行菜单命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析类型中选择DC Sweep，则出现直流扫描分析对话框 41 直流扫描分析对话框中Analysis Parameters页中包含Source1和Source2 两个区，区中设置项目及其注释等内容如下表所示。项项目目含含义义和和设设置要求置要求SourceSource（电电源）源）选择选择要要扫扫描的直流描的直流电电源。源。Start valueStart value（开始（开始值值）设设置置扫扫描开始描开始值值。Stop valueStop value（终终止止值值）设设置置扫扫描描终终止止值值。IncreaseIncrease（增量）（增量）设设置置扫扫描增量。描增量。Use source2Use source2（使用（使用电电源源2 2）如果要如果要扫扫描两个描两个电电源，源，则选则选中中该该选项选项。42 这里仍采用单管放大电路作为实验电路，直流扫描分析Analysis Parameters选项卡设置见上图。下图是在需要扫描的直流电源选择VCC，输出变量为节点1、3的输出波形。其中上面一条曲线是节点1，即输出直流电压VCE随VCC变化曲线，下面一条曲线节点1，即直流电压VBE随VCC变化曲线。43