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(shí)，計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)，即在恒定激勵(lì)條件下求電路的穩(wěn)態(tài)值。在電路工作時(shí)，無(wú)論是大信號(hào)還是小信號(hào)，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(hào)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(guò)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(hào)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(duì)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(gè)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(hào)可以從Options-sheet propertiescircuitshow all調(diào)試出來(lái)。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(duì)話框，如圖A所示。直流工作點(diǎn)分析對(duì)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(guò)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(guò)鼠標(biāo)拖拉進(jìn)行全選），再單擊Add按鈕，相應(yīng)變量則會(huì)出現(xiàn)在Selected variables for 欄中。如果Selected variables for 欄中的某個(gè)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(huì)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(yè)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(guò)檢查可以確認(rèn)這些參數(shù)的設(shè)置。 2.1.3

5、 檢查測(cè)試結(jié)果 點(diǎn)擊B圖下部Simulate按鈕，測(cè)試結(jié)果如圖所示。測(cè)試結(jié)果給出電路各個(gè)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(gè)參數(shù)，利用這種方法，可以觀察電路中某個(gè)元件參數(shù)的改變對(duì)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(hào)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(shí)，首先分析電路的直流工作點(diǎn)，并在直流工作點(diǎn)處對(duì)各個(gè)非線性元件做線性化處理，得到線性化的交流小信號(hào)等效電路，并用交流小信號(hào)等效電路計(jì)算電路輸出交流信號(hào)的變化。在進(jìn)行交流分析時(shí)，電

6、路工作區(qū)中自行設(shè)置的輸入信號(hào)將被忽略。也就是說(shuō)，無(wú)論給電路的信號(hào)源設(shè)置的是三角波還是矩形波，進(jìn)行交流分析時(shí)，都將自動(dòng)設(shè)置為正弦波信號(hào)，分析電路隨正弦信號(hào)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(shí)，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(dòng)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(duì)話框，如圖所示。對(duì)話框中Frequency Parameters頁(yè)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(cè)試結(jié)果 電路的交流分析測(cè)試曲線如圖所示,測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)，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(huì)衰減，相位會(huì)改變。 2.3 瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析是一種非線性時(shí)域分析方法，是在給定輸入激勵(lì)信號(hào)時(shí)，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(shí)，首先計(jì)算電路的初始狀態(tài)，然后從初始時(shí)刻起，到某個(gè)給定的時(shí)間范圍內(nèi)，選擇合理的時(shí)間步

8、長(zhǎng)，計(jì)算輸出端在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸出電壓，輸出電壓由一個(gè)完整周期中的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓來(lái)決定。啟動(dòng)瞬態(tài)分析時(shí)，只要定義起始時(shí)間和終止時(shí)間，Multisim可以自動(dòng)調(diào)節(jié)合理的時(shí)間步進(jìn)值，以兼顧分析精度和計(jì)算時(shí)需要的時(shí)間，也可以自行定義時(shí)間步長(zhǎng)，以滿足一些特殊要求。2.3.1 構(gòu)造電路 構(gòu)造一個(gè)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(dòng)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(duì)話框，如圖所示。 瞬態(tài)分析對(duì)話框中Analysis Parameters頁(yè)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(shí)間變化的波形，縱軸坐標(biāo)是電壓，橫軸是時(shí)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(hào)的方法。它將非正弦周期信號(hào)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(jí)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(hào)電壓分量的幅值頻譜和相位頻譜。傅立葉分析同時(shí)也計(jì)算了信號(hào)的總諧波失真（THD），THD定義為信號(hào)的各次諧波幅

10、度平方和的平方根再除以信號(hào)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(gè)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(hào)源電壓幅值達(dá)到50mv時(shí)，輸出端電壓信號(hào)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(hào)中出現(xiàn)了輸入信號(hào)中未有的諧波分量。2.4.2 啟動(dòng)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(duì)話框，如圖所示。傅立葉分析對(duì)話框中Analysis Parameters頁(yè)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(hào)沒有失真，在理想情況下，信號(hào)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(hào)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(shí)可以看到總諧波失真（THD）約為35.96%，這表明輸出信號(hào)非線性失真相當(dāng)嚴(yán)重。線條圖形方式給出的信號(hào)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(hào)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(huì)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(gè)交流信號(hào)，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(gè)交流信號(hào)，則分析三個(gè)特定頻率的復(fù)變值，這三個(gè)頻率分別是：（f1f2），（f1f2），（2f1f2）。2.5.1構(gòu)造電路 設(shè)計(jì)一個(gè)單管放大電路，電路參數(shù)及電路結(jié)構(gòu)如圖所示。對(duì)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(gè)交流電壓源作為輸入信號(hào)，其幅度為4V，頻率為1kHz。注意：雙擊信號(hào)電壓源符號(hào)，在屬性對(duì)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(dòng)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(duì)話框，如圖所示。 失真分析對(duì)話框中Analysis Parameters頁(yè)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(gè)輸入信號(hào)，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(shí)都會(huì)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(hào)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(gè)噪聲源對(duì)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(hào)電壓源符號(hào)，在屬性對(duì)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(dòng)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(duì)話框，如圖所示。 噪聲分析對(duì)話框中A

15、nalysis Parameters頁(yè)的設(shè)置項(xiàng)目及其注釋等內(nèi)容見表所示。 噪聲分析對(duì)話框中Frequency Parameters頁(yè)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(shí)，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(gè)還是兩個(gè)，并確定分析的節(jié)點(diǎn)。如果只掃描一個(gè)

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(gè)電源，則輸出曲線的數(shù)目等于第二個(gè)電源被掃描的點(diǎn)數(shù)。第二個(gè)電源的每一個(gè)掃描值，都對(duì)應(yīng)一條輸出節(jié)點(diǎn)值與第一個(gè)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(hào)為2N7000，屬于N溝道增強(qiáng)型MOS管?，F(xiàn)在要利用直流掃描來(lái)測(cè)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(duì)話框 直流掃描分析對(duì)話框中Analysis Parameters頁(yè)中包含Source1和Source2兩個(gè)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(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)參數(shù)變化值的情況下，對(duì)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(guò)參數(shù)掃描分析來(lái)完成。 1.構(gòu)造電路2.啟動(dòng)參數(shù)掃描分析工具選擇Simulate / Analysi

18、s / Parameter Sweep 2.啟動(dòng)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(hào)（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(duì)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(zhǎng)Liner（線性刻度