Protel99-SE-電路設(shè)計及應(yīng)用第8章-基于multisim的電路分析課件

1、機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景第8章 基于Multisim的電路分析 Multisim10提供了非常齊全的仿真與分析功能，在本章里將分別介紹每個仿真分析的方法。內(nèi)容提要：學(xué)習(xí)熟練使用Multisim電路設(shè)計軟件的7種常用分析方法。理解各種分析方法的含義并應(yīng)用于實際電路的設(shè)計。當(dāng)我們啟動Simulate/Analyses命令，即可拉出如圖8-1所示的子功能表：機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.1 直流工作點分析（DC Operating Point Analysis）8.1.1 相關(guān)原理直流工作點分析是最基本的電路分析，通常是為了計

2、算一個電路的靜態(tài)工作點。合適的靜態(tài)工作點是電路正常工作的前提，如果設(shè)置的不合適，會導(dǎo)致電路的輸出波形失真。直流分析的結(jié)果通常是后續(xù)分析的橋梁。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.1.2 仿真設(shè)置選擇菜單欄Simulate/Analyses/DC Operating Point命令，彈出如圖8-2所示的對話框。該對話框包括三個選項卡：Output、Analysis Options、Summary。下面分別介紹每個選項卡的功能與設(shè)置。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景“Output”選項卡：該選項卡頁面主要用來選擇所要分析的節(jié)點。主要包括：

3、“Variables in circuit”選項欄、“Selected variables for”選項欄、“Add”和“Remove”按鈕、“Filter Unselected Variables”按鈕、“Add Expression”和“Edit Expression”按鈕機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景“Analysis Options”選項卡，主要分析選項用來設(shè)置用戶希望的仿真參數(shù)。 主要包括：“SPICE”選項、其他選項。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景“Summary”選項卡：用戶可以在這里對以上的分析設(shè)置進(jìn)行總結(jié)確認(rèn)。如

4、確認(rèn)無誤，點擊“Simulate”即可進(jìn)行仿真分析。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.1.3 實例仿真 如圖所示的BJT共射放大電路為例，對所有直流工作點仿真方法加以說明。 選擇5，6，7點為仿真節(jié)點來分析放大電路的靜態(tài)工作點，點擊“Simulate”按鈕，得到分析結(jié)果。 由工作在靜態(tài)工作區(qū)時晶體管基極、集電極和發(fā)射極需滿足的電壓關(guān)系可知，此放大電路可穩(wěn)定工作機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.2 交流分析（AC Analysis）8.2.1 相關(guān)原理交流分析用來計算線性電路的頻率響應(yīng)。在交流分析中首先通過直流工作點分析計算所有非線

5、性元件的線性、小信號模型。然后建立一個包含實際和理想元件的復(fù)矩陣，建立復(fù)矩陣時，直流源設(shè)為0，交流源、電容和電感用它們的交流模型來表示，非線性元件用計算出的線性交流小信號模型來表示。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.2.2 仿真設(shè)置選擇菜單欄Simulate/Analyses/AC Analysis選項，彈出如圖8-12所示的對話框。該對話框包括四個選項卡：“Frequency Parameter”、“Output”、“Analysis Options”、“Summary”。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景“Frequency Pa

6、rameter”選項卡：“Start Frequence”欄：設(shè)置交流分析的起始頻率?！癝top Frequence”欄：設(shè)置交流分析的截止頻率。“Sweep type”下拉列表：選擇交流分析的掃描方式，下拉列表中有三個備選項：“Decade”（十倍刻度掃描）、“Octave”（八倍刻度掃描）和“Linear”（線性掃描）。通常選擇默認(rèn)的十倍刻度掃描。“Number of point per decade”欄：設(shè)置交流分析中要計算的點數(shù)。如對于線性掃描類型，在掃描開始和結(jié)束將用到這個點數(shù)。取樣點數(shù)越多分析越精確，但仿真速度會變慢?！癡ertical scale”下拉列表：垂直刻度類型設(shè)置。下拉

7、列表中包括以下選項：“Linear”（線性刻度）、“Logarithmic”（對數(shù)刻度）、“Decible”（分貝刻度）或“Octave”（八倍刻度）。默認(rèn)選擇對數(shù)刻度?！癛eset to default”按鈕：點擊此按鈕使所有設(shè)置恢復(fù)為默認(rèn)設(shè)置。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.2.3 實例仿真 圖為鉑電阻測溫電路圖，輸入電壓源選擇小信號的交流源代替。 對此電路進(jìn)行交流分析，可以看到所設(shè)計電路的頻帶寬度。頻率參數(shù)全部選擇默認(rèn)設(shè)置，觀察電路中輸出端21點的交流分析結(jié)果，可見此電路具有低通特性，截止頻率約為1M左右。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計

8、及應(yīng)用 周潤景8.3 瞬態(tài)分析（Transient Analysis）8.3.1 相關(guān)原理瞬態(tài)分析也稱時域瞬態(tài)分析，相當(dāng)于連續(xù)性的直流工作點分析，通常是為了找出電子電路的時間響應(yīng)，功能類似于示波器。瞬態(tài)分析時，每個輸入周期被等間隔劃分，然后對這個周期中的每個時間點進(jìn)行直流分析。一個節(jié)點的電壓波形取決于一個完整周期各時間點的電壓值。另外，瞬態(tài)分析時電容和電感被等效為能量存儲模型，用數(shù)值積分來計算一定時間間隔內(nèi)能量傳遞的多少。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.3.2 仿真設(shè)置其中包括四頁選項卡，除了“Analysis Parameters”頁外，其余皆與直流工作點分

9、別的設(shè)定一樣。而“Analysis Parameters”選項卡包括下列項目：“Initial conditions”選項區(qū)域、“Parameters”選項區(qū)域、“More Options”選項區(qū)域、“Reset to default”按鈕。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.3.3實例仿真 我們選取“Automatically determine initial conditions”選項，然后將開始分析的時間設(shè)0、結(jié)束分析的時間設(shè)為0.1秒(總共分析0.1秒)、在最大時間步長設(shè)定中選擇“Generate time steps automatically”選項。

10、 另外，在“Output variables”頁里，指定分析21節(jié)點(即測溫電路的輸入端)；最后點擊“Simulation”按鈕進(jìn)行分析。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.4 傅立葉分析（Fourier Analysis）8.4.1 相關(guān)原理傅立葉分析是一種在頻域中分析復(fù)周期信號的方法。當(dāng)用Multisim進(jìn)行離散傅立葉變換時，只使用電路輸出端時域或瞬態(tài)響應(yīng)基波成分的第二個周期來進(jìn)行計算，第一周期認(rèn)為是置位時間而丟棄。每一諧波的系數(shù)由時域中從周期的開始到時間t這段時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)計算而來，一般來說是自動設(shè)定的，且是基本頻率的一個函數(shù)。機(jī)械工業(yè)出版社 Prote

11、l 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.4.2 仿真設(shè)置除了“Analysis Parameters”頁外，其余皆與直流工作點分別的設(shè)定一樣。而“Analysis Parameters”頁下包括以下項目：“Sampling options”選項區(qū)域：這部分用來設(shè)定與采樣有關(guān)的參數(shù)“Results”選項區(qū)域：該區(qū)域用于設(shè)置結(jié)果的顯示方式“More Options”選項區(qū)域機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景 “Sampling options”選項區(qū)域：“Frequency resolution(Fundamental Frequency)”欄：用于設(shè)定基本頻率，如果電

12、路之中有多個交流信號源，則取各信號源頻率之最小公因數(shù)。如果不知道如何設(shè)定時，也可以按“Estimate”鈕，由程序幫我們預(yù)估?！癗umber of harmonics”欄：設(shè)定用于計算的基本頻率的諧波次數(shù)?！癝topping time for sampling(TSTOP)”欄：本選項的功能是設(shè)定停止取樣的時間。如果不知道如何設(shè)定時，也可以按“Estimate”鈕，由程序幫我們預(yù)估?！癊dit transient analysis”按鈕：本按鈕的功能是設(shè)定相關(guān)瞬時分析的選項。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景 “Results”選項區(qū)域：“Display phase

13、”選項：本選項設(shè)定結(jié)果連相位圖一并顯示?！癉isplay as bar graph”選項：本選項設(shè)定結(jié)果以條形圖顯示，如果不選此項，則結(jié)果以線性圖表示?！癗ormalize graphs”選項：本選項設(shè)定將輸出結(jié)果的幅值歸一化，歸一化相對于基波而言?！癉isplay”選項：本選項設(shè)定所要顯示的項目。“Vertical scale”：本字段設(shè)定垂直刻度。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景 “More Options”選項區(qū)域：“Degree of polynomial for interpolation”選項：本選項的功能是設(shè)定仿真中用于點間插值的多項式的次數(shù)，選取本

14、選項后，即可在其右邊方框中指定多項式次數(shù)。“Display as bar graph”選項：本選項設(shè)定結(jié)果以條形圖顯示，如果不選此項，則結(jié)果以線性圖表示?！癝ampling Frequency”欄：指定采樣率。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.4.3 實例仿真 把電路的交流源用圖中電源代替，對修改后電路進(jìn)行傅立葉分析。 基本頻率和停止時間均點擊“Estimate”按鈕由程序設(shè)定，基頻值最后選定為20Hz（對于多個交流源，取它們頻率的最小公因素）；諧波數(shù)設(shè)為9；結(jié)果顯示選擇顯示相位圖，顯示方式為條形圖，并對圖形歸一化；以圖和表的形式顯示；縱坐標(biāo)選擇線性坐標(biāo)。點擊仿

15、真按鈕，得仿真結(jié)果。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.5 噪聲分析（Noise Analysis）8.5.1 相關(guān)原理噪聲分析是分析噪聲對電路影響。噪聲是減小信號質(zhì)量的電的或電磁的能量，它影響數(shù)字電路、模擬電路和所有的通信系統(tǒng)。Multisim用每個電阻和半導(dǎo)體元件的噪聲模型（而非交流模型）建立一個電路的噪聲模型，然后進(jìn)行類似于交流分析的仿真分析。通過在設(shè)定好的頻率范圍內(nèi)對電路進(jìn)行掃描，來分析計算每個元件的噪聲作用，并匯總到電路的輸出端。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.5 噪聲分析（Noise Analysis）Multisim

16、可建立三種噪聲的模型，它們分別是：熱噪聲(Thermal Noise)：這種噪聲敏感于溫度的變化，由導(dǎo)體中的自由電子和振動離子之間的熱量的相互作用而產(chǎn)生。它的頻率在頻譜中均勻分布。閃粒噪聲(Shot Noise)，這種噪聲是由各種形式半導(dǎo)體中載流子的分散特性而產(chǎn)生的，這種噪聲為晶體管的主要噪聲。閃爍噪聲（Flicker Noise)，又稱為超越噪聲(Excess Noise)、粉紅噪聲(Pink Noise)或1/f噪聲，通常由雙極型晶體管（BJT）和場效應(yīng)管（FET）產(chǎn)生，且發(fā)生在頻率小于1KHz以下。元件的噪聲作用由它的SPICE模型決定，其中兩個參數(shù)將影響噪聲分析的輸出：AF=Flick

17、er noise component(AF=0)KF=Flicker Noise(KF=1)機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.5.2 仿真設(shè)置 除了“Analysis Parameters”、“Frequency Parameters”頁外，其余皆與直流操作點分別的設(shè)定一樣?！癆nalysis Parameters”選項卡：“Input noise reference source”列表：指定輸入噪聲參考電壓源，輸入源為交流源?！癘utput node”列表：指定噪聲的輸出節(jié)點，在此節(jié)點將所有噪聲貢獻(xiàn)求和?！癛eference node”列表：設(shè)定參考電壓的節(jié)點

18、，通常取0（接地）?！癝et point per summary”選項：設(shè)定每個匯總的取樣點數(shù)，其值越大表示頻率的步進(jìn)數(shù)越大，輸出結(jié)果的分辨率越低。當(dāng)勾選該復(fù)選項時，仿真將產(chǎn)生一條已選元件的噪聲功率譜密度曲線，單位是V2/Hz或A2/Hz。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景 Frequency Parameters選項卡：“Start frequency (FSTART)”欄：設(shè)定掃描的起始頻率?！癝top frequency (FSTOP)”欄：設(shè)定掃描的終止頻率?！癝weep type”下拉列表：設(shè)定掃瞄方式?！癗umber of points per deca

19、de”欄：設(shè)定每十倍頻率的取樣點數(shù)。“Vertical scale”下拉列表：設(shè)定垂直刻度，其中包括Decibel(分貝刻度)、Octave(八倍刻度)、Linear(線性刻度)及Logarithmic(對數(shù)刻度)，通常是采用Logarithmic(對數(shù)刻度)或分貝刻度(Decibel選項)?！癛eset to default”按鈕：本按鈕是把所有設(shè)定恢復(fù)為程序預(yù)置值。“Reset to main AC values”按鈕：本按鈕是把所有設(shè)定恢復(fù)為與交流分析一樣的設(shè)定值，噪聲分析也是通過執(zhí)行交流分析，而取得噪聲的放大與分布。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.5.

20、3 實例仿真 以圖中電路為例，來分析電路中電阻R1、R2和電路中所有元件對電路的總的噪聲影響。這個電路是一個基本的運(yùn)算放大電路，仿真的頻率范圍是10Hz到10GHz。首先可計算出理論上電阻R1和R2產(chǎn)生的熱噪聲，計算過程如下：機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景在Analysis Parameters選項卡中將vinput作為輸入噪聲參考源、輸出節(jié)點設(shè)為5、并參考地。在Frequency Parameters選項卡中起始時間設(shè)為1Hz、終止時間設(shè)為10GHz、掃描方式設(shè)為Decade、每十倍頻的取樣點數(shù)設(shè)為5、垂直刻度設(shè)為對數(shù)坐標(biāo)。然后觀察電路中電阻R1、R2和電路中

21、所有元件對電路的總的噪聲影響，結(jié)果如圖所示，可見仿真結(jié)果與理論計算值基本相符，而電路總的噪聲是電路中各個元件的噪聲的總和。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.6 失真分析（Distortion Analysis）8.6.1 相關(guān)原理一個性能良好的線性放大器可以放大輸入信號，而在輸出端沒有任何信號失真。實際應(yīng)用中，信號中常有虛假信號成分，它們以諧波或互調(diào)失真的形式加到信號中。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.6.2 仿真設(shè)置包括四頁選項卡，其中“Analysis Parameters”頁包括下列條目：“Start frequency

22、(FSTART)”欄：設(shè)定掃描的起始頻率?！癝top frequency (FSTOP)”欄：設(shè)定掃描的終止頻率?！癝weep type”下拉列表：設(shè)定交流分析中頻率的掃描方式。“Number of points per decade”欄：設(shè)定每十倍頻率的采樣點數(shù)?！癡ertical scale”下拉列表：設(shè)定垂直刻度?！癋2/F1 ratio”選項：該復(fù)選項僅當(dāng)進(jìn)行互調(diào)失真時勾選?！癛eset to default”按鈕：本按鈕是把所有設(shè)定恢復(fù)為程序預(yù)置值?！癛eset to main AC values”按鈕：本按鈕是把所有設(shè)定恢復(fù)為與交流分析一樣的設(shè)定值。 機(jī)械工業(yè)出版社 Protel

23、99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景8.6.3 實例仿真 首先來分析電路的諧波失真。雙擊交流源v11，選擇value選項卡，把失真頻率1的幅值（Distortion Frequency 1 Magnitude）設(shè)為8V，相位設(shè)為0deg，然后就可以進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)設(shè)置中，將起始頻率設(shè)為1Hz，終止頻率設(shè)為10MHz，頻率掃描方式設(shè)為十倍頻掃描，取樣點為100，垂直刻度選擇線性刻度，輸出節(jié)點設(shè)為21。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景二次諧波失真三次諧波失真 由這兩個圖可以看到，在10KHz到10MHz的范圍內(nèi)，存在諧波失真，應(yīng)對信號進(jìn)行濾波等處理。機(jī)械工業(yè)出版社 Pr

24、otel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景 雙擊交流源v11，在value選項卡中將失真頻率1和2的幅值和相位都分別設(shè)為8V和0deg。在仿真參數(shù)設(shè)置中，起始頻率為100Hz，終止頻率為10MHz，頻率掃描類型為十倍頻，垂直刻度為線性刻度，F(xiàn)2/F1的比率為0.499999，輸出節(jié)點為21。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計及應(yīng)用 周潤景f1+f2諧波失真 當(dāng)f1達(dá)到較高的頻率（1K到1M），如果混入f2（約50Hz），則f1+f2諧波的幅值大幅增加，在這些頻率點處，需要用濾波器把信號中f1+f2諧波分量濾除掉。對于f1-f2諧波和2f1-f2諧波的分析與處理方法與f1+f2諧波類似。f1-f2諧波失真2f1-f2諧波失真機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計