Multisim基礎(chǔ)使用方法詳解

1、第2章 Multisim9的基本分析方法主 要 內(nèi) 容Ø 2.1 直流工作點(diǎn)分析（DC Operating Point Analysis ）Ø 2.2 交流分析（AC Analysis）Ø 2.3 瞬態(tài)分析（Transient Analysis）Ø 2.4 傅立葉分析（Fourier Analysis）Ø 2.5 失真分析（Distortion Analysis）Ø 2.6 噪聲分析（Noise Analysis）Ø 2.7 直流掃描分析（DC Sweep Analysis）Ø 2.8 參數(shù)掃描分析（Paramet

2、er Sweep Analysis）2.1 直流工作點(diǎn)分析直流工作點(diǎn)分析也稱靜態(tài)工作點(diǎn)分析，電路的直流分析是在電路中電容開路、電感短路時，計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)，即在恒定激勵條件下求電路的穩(wěn)態(tài)值。在電路工作時，無論是大信號還是小信號，都必須給半導(dǎo)體器件以正確的偏置，以便使其工作在所需的區(qū)域，這就是直流分析要解決的問題。了解電路的直流工作點(diǎn)，才能進(jìn)一步分析電路在交流信號作用下電路能否正常工作。求解電路的直流工作點(diǎn)在電路分析過程中是至關(guān)重要的。 2.1.1構(gòu)造電路 為了分析電路的交流信號是否能正常放大，必須了解電路的直流工作點(diǎn)設(shè)置得是否合理，所以首先應(yīng)對電路得直流工作點(diǎn)進(jìn)行分析。在Multisim9

3、工作區(qū)構(gòu)造一個單管放大電路，電路中電源電壓、各電阻和電容取值如圖所示。注意：圖中的1，2，3，4，5等編號可以從Options-sheet propertiescircuitshow all調(diào)試出來。執(zhí)行菜單命令（仿真）Simulate/（分析）Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇DC Operating Point，則出現(xiàn)直流工作點(diǎn)分析對話框，如圖A所示。直流工作點(diǎn)分析對話框B。 1. Output 選項(xiàng) Output用于選定需要分析的節(jié)點(diǎn)。 左邊Variables in circuit 欄內(nèi)列出電路中各節(jié)點(diǎn)電壓變量和流過電源的電流變量。右邊Selected variables f

4、or 欄用于存放需要分析的節(jié)點(diǎn)。 具體做法是先在左邊Variables in circuit 欄內(nèi)中選中需要分析的變量（可以通過鼠標(biāo)拖拉進(jìn)行全選），再單擊Add按鈕，相應(yīng)變量則會出現(xiàn)在Selected variables for 欄中。如果Selected variables for 欄中的某個變量不需要分析，則先選中它，然后點(diǎn)擊Remove按鈕，該變量將會回到左邊Variables in circuit 欄中。 2.Analysis Options 和Summary選項(xiàng)表示：分析的參數(shù)設(shè)置和Summary頁中排列了該分析所設(shè)置的所有參數(shù)和選項(xiàng)。用戶通過檢查可以確認(rèn)這些參數(shù)的設(shè)置。 2.1.3

5、 檢查測試結(jié)果 點(diǎn)擊B圖下部Simulate按鈕，測試結(jié)果如圖所示。測試結(jié)果給出電路各個節(jié)點(diǎn)的電壓值。根據(jù)這些電壓的大小，可以確定該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是否合理。如果不合理，可以改變電路中的某個參數(shù)，利用這種方法，可以觀察電路中某個元件參數(shù)的改變對電路直流工作點(diǎn)的影響。2.2 交流分析交流分析是在正弦小信號工作條件下的一種頻域分析。它計(jì)算電路的幅頻特性和相頻特性，是一種線性分析方法。 Multisim 9在進(jìn)行交流頻率分析時，首先分析電路的直流工作點(diǎn)，并在直流工作點(diǎn)處對各個非線性元件做線性化處理，得到線性化的交流小信號等效電路，并用交流小信號等效電路計(jì)算電路輸出交流信號的變化。在進(jìn)行交流分析時，電

6、路工作區(qū)中自行設(shè)置的輸入信號將被忽略。也就是說，無論給電路的信號源設(shè)置的是三角波還是矩形波，進(jìn)行交流分析時，都將自動設(shè)置為正弦波信號，分析電路隨正弦信號頻率變化的頻率響應(yīng)曲線。2.2.1 構(gòu)造電路 這里仍采用單管放大電路作為實(shí)驗(yàn)電路，電路如圖所示。這時，該電路直流工作點(diǎn)分析的結(jié)果如下：三極管的基極電壓約為0.653V，集電極電壓約為5.46V，發(fā)射極電壓為0V。2.2.2啟動交流分析工具 執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇AC Analysis，則出現(xiàn)交流分析對話框，如圖所示。對話框中Frequency Parameters頁的設(shè)置項(xiàng)目、單位以及默認(rèn)值

7、等內(nèi)容見表所示。 2.2.3 檢查測試結(jié)果 電路的交流分析測試曲線如圖所示,測試結(jié)果給出電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線,幅頻特性曲線顯示了3號節(jié)點(diǎn)（電路輸出端）的電壓隨頻率變化的曲線；相頻特性曲線顯示了3號節(jié)點(diǎn)的相位隨頻率變化的曲線。由交流頻率分析曲線可知，該電路大約在7Hz 24MHz范圍內(nèi)放大信號，放大倍數(shù)基本穩(wěn)定，且相位基本穩(wěn)定。超出此范圍，輸出電壓將會衰減，相位會改變。 2.3 瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析是一種非線性時域分析方法，是在給定輸入激勵信號時，分析電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)。Multisim在進(jìn)行瞬態(tài)分析時，首先計(jì)算電路的初始狀態(tài)，然后從初始時刻起，到某個給定的時間范圍內(nèi)，選擇合理的時間步

8、長，計(jì)算輸出端在每個時間點(diǎn)的輸出電壓，輸出電壓由一個完整周期中的各個時間點(diǎn)的電壓來決定。啟動瞬態(tài)分析時，只要定義起始時間和終止時間，Multisim可以自動調(diào)節(jié)合理的時間步進(jìn)值，以兼顧分析精度和計(jì)算時需要的時間，也可以自行定義時間步長，以滿足一些特殊要求。2.3.1 構(gòu)造電路 構(gòu)造一個單管放大電路，電路中電源電壓、各電阻和電容取值如圖所示。 2.3.2 啟動瞬態(tài)分析工具 執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇Transient Analysis，出現(xiàn)瞬態(tài)分析對話框，如圖所示。 瞬態(tài)分析對話框中Analysis Parameters頁的設(shè)置項(xiàng)目、單位以及默認(rèn)

9、值等內(nèi)容見表所示。 2.3.3 檢查分析結(jié)果 放大電路的瞬態(tài)分析曲線如圖所示。分析曲線給出輸入節(jié)點(diǎn)2和輸出節(jié)點(diǎn)5的電壓隨時間變化的波形，縱軸坐標(biāo)是電壓，橫軸是時間軸。從圖中可以看出輸出波形和輸入波形的幅值相差不太大，這主要是因?yàn)樵摲糯箅娐肪w管發(fā)射極接有反饋電阻，從而影響了電路的放大倍數(shù)。2.4傅立葉分析傅立葉分析是一種分析復(fù)雜周期性信號的方法。它將非正弦周期信號分解為一系列正弦波、余弦波和直流分量之和。根據(jù)傅立葉級數(shù)的數(shù)學(xué)原理，周期函數(shù)f(t)可以寫為傅立葉分析以圖表或圖形方式給出信號電壓分量的幅值頻譜和相位頻譜。傅立葉分析同時也計(jì)算了信號的總諧波失真（THD），THD定義為信號的各次諧波幅

10、度平方和的平方根再除以信號的基波幅度，并以百分?jǐn)?shù)表示：2.4.1 構(gòu)造電路 構(gòu)造一個單管放大電路，電路中電源電壓、各電阻和電容取值如圖所示。該放大電路在輸入信號源電壓幅值達(dá)到50mv時，輸出端電壓信號已出現(xiàn)較嚴(yán)重的非線性失真，這也就意味著在輸出信號中出現(xiàn)了輸入信號中未有的諧波分量。2.4.2 啟動交流分析工具 執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇Fourier Analysis，則出現(xiàn)傅立葉分析對話框，如圖所示。傅立葉分析對話框中Analysis Parameters頁的設(shè)置項(xiàng)目及默認(rèn)值等內(nèi)容見表所示。 2.4.3 檢查分析結(jié)果 傅立葉分析結(jié)果如圖所示。

11、如果放大電路輸出信號沒有失真，在理想情況下，信號的直流分量應(yīng)該為零，各次諧波分量幅值也應(yīng)該為零，總諧波失真也應(yīng)該為零。 從圖可以看出，輸出信號直流分量幅值約為1.15V，基波分量幅值約為4.36 V，2次諧波分量幅值約為1.58 V，從圖表中還可以查出3次、4次及5次諧波幅值。同時可以看到總諧波失真（THD）約為35.96%，這表明輸出信號非線性失真相當(dāng)嚴(yán)重。線條圖形方式給出的信號幅頻圖譜直觀地顯示了各次諧波分量的幅值。2.5 失真分析放大電路輸出信號的失真通常是由電路增益的非線性與相位不一致造成的。增益的非線性將會產(chǎn)生諧波失真，相位的不一致將產(chǎn)生互調(diào)失真。Multisim失真分析通常用于分析

12、那些采用瞬態(tài)分析不易察覺的微小失真。如果電路有一個交流信號，Multisim的失真分析將計(jì)算每點(diǎn)的二次和三次諧波的復(fù)變值；如果電路有兩個交流信號，則分析三個特定頻率的復(fù)變值，這三個頻率分別是：（f1f2），（f1f2），（2f1f2）。2.5.1構(gòu)造電路 設(shè)計(jì)一個單管放大電路，電路參數(shù)及電路結(jié)構(gòu)如圖所示。對該電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析后，表明該電路直流工作點(diǎn)設(shè)計(jì)合理。在電路的輸入端加入一個交流電壓源作為輸入信號，其幅度為4V，頻率為1kHz。注意：雙擊信號電壓源符號，在屬性對話框中Distortion Frequency 1 Magnitude:項(xiàng)目下設(shè)置為4V。Distortion Freque

13、ncy 2 Magnitude:項(xiàng)目下設(shè)置為4V。然后繼續(xù)分析該放大電路。2.5.2啟動失真分析工具 執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇Distortion Analysis，則出現(xiàn)瞬態(tài)分析對話框，如圖所示。 失真分析對話框中Analysis Parameters頁的設(shè)置項(xiàng)目、單位以及默認(rèn)值等內(nèi)容見表所示。2.5.3檢查分析結(jié)果 電路的失真分析結(jié)果如圖所示。由于該電路只有一個輸入信號，因此，失真分析結(jié)果給出的是諧波失真幅頻特性和相頻特性圖。2.6 噪聲分析電路中的電阻和半導(dǎo)體器件在工作時都會產(chǎn)生噪聲，噪聲分析就是定量分析電路中噪聲的大小。Multisi

14、m提供了熱噪聲、散彈噪聲和閃爍噪聲等3種不同的噪聲模型。噪聲分析利用交流小信號等效電路，計(jì)算由電阻和半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的噪聲總和。假設(shè)噪聲源互不相關(guān)，而且這些噪聲值都獨(dú)立計(jì)算，總噪聲等于各個噪聲源對于特定輸出節(jié)點(diǎn)的噪聲均方根之和。 2.6.1構(gòu)造電路 構(gòu)造單管放大電路，雙擊信號電壓源符號，在屬性對話框中Distortion Frequency 1 Magnitude:項(xiàng)目下設(shè)置為1V。然后繼續(xù)分析該單管放大電路。2.6.2啟動噪聲分析工具 執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇Noise Analysis，則出現(xiàn)噪聲分析對話框，如圖所示。 噪聲分析對話框中A

15、nalysis Parameters頁的設(shè)置項(xiàng)目及其注釋等內(nèi)容見表所示。 噪聲分析對話框中Frequency Parameters頁如圖所示。其中設(shè)置項(xiàng)目及其注釋等內(nèi)容見下表所示： 2.6.3檢查分析結(jié)果 噪聲分析曲線如圖所示。其中上面一條曲線是總的輸出噪聲電壓隨頻率變化曲線，下面一條曲線是等效的輸入噪聲電壓隨頻率變化曲線。2.7 直流掃描分析直流掃描分析是根據(jù)電路直流電源數(shù)值的變化，計(jì)算電路相應(yīng)的直流工作點(diǎn)。在分析前可以選擇直流電源的變化范圍和增量。在進(jìn)行直流掃描分析時，電路中的所有電容視為開路，所有電感視為短路。 在分析前，需要確定掃描的電源是一個還是兩個，并確定分析的節(jié)點(diǎn)。如果只掃描一個

16、電源，得到的是輸出節(jié)點(diǎn)值與電源值的關(guān)系曲線。如果掃描兩個電源，則輸出曲線的數(shù)目等于第二個電源被掃描的點(diǎn)數(shù)。第二個電源的每一個掃描值，都對應(yīng)一條輸出節(jié)點(diǎn)值與第一個電源值的關(guān)系曲線。2.7.1構(gòu)造電路 構(gòu)造如圖所示的電路，MOS管型號為2N7000，屬于N溝道增強(qiáng)型MOS管。現(xiàn)在要利用直流掃描來測繪MOS管的輸出特性曲線。 執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇DC Sweep，則出現(xiàn)直流掃描分析對話框 直流掃描分析對話框中Analysis Parameters頁中包含Source1和Source2兩個區(qū)，區(qū)中設(shè)置項(xiàng)目及其注釋等內(nèi)容見表所示。 2.7.3檢查分

17、析結(jié)果 直流掃描分析曲線即MOS管的輸出特性曲線，如圖所示。橫坐標(biāo)為MOS管的漏極電壓，縱坐標(biāo)是MOS管的漏極電流（盡管圖上標(biāo)的是Voltage）。每一條曲線都是MOS管漏極電壓與漏極電流的關(guān)系曲線且對應(yīng)一個固定的柵極電壓。 2.8參數(shù)掃描分析（Parameter Sweep Analysis）參數(shù)掃描分析是在用戶指定每個參數(shù)變化值的情況下，對電路的特性進(jìn)行分析。在參數(shù)掃描分析中，變化的參數(shù)可以從溫度參數(shù)擴(kuò)展為獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源、溫度、模型參數(shù)和全局參數(shù)等多種參數(shù)。顯然，溫度掃描分析也可以通過參數(shù)掃描分析來完成。 1.構(gòu)造電路2.啟動參數(shù)掃描分析工具選擇Simulate / Analysi

18、s / Parameter Sweep 2.啟動參數(shù)掃描分析工具選項(xiàng)框項(xiàng) 目默認(rèn)值注 釋Swep Parameters（選擇掃描元件及參數(shù)）Device Parameter（元件參數(shù)）BJT（晶體管）可選電路中出現(xiàn)的元件種類（Device），如Diode、Resistor、Vsource等，元件序號（Name）以及元件參數(shù)（Parameter）Model Parameter（元件模型參數(shù)）BJT（晶體管）表示選中的是元件模型參數(shù)類型，各參數(shù)不僅與電路有關(guān)，還與Device Parameter對應(yīng)的選項(xiàng)有關(guān)Points to sweep（選擇掃描方式）Decade（十倍刻度掃描）確定掃描起始值、終止值及增量步長Liner（線性刻度