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2.2 Multisim 10 的分析方法

Multisim 10 具有较强的分析功能,为用户提供了 18 种分析工具,利用这些工具,可以了解电路的基本状况、测量和分析电路的各种响应,其分析精度和测量范围比用实际仪器测量的精度高、范围宽。

仿真分析的一般步骤如下所述。

①在Multisim 10 工作区画出待分析电路,并根据需要接上相应的输入信号。

②将电路的节点标志显示在图上。具体方法为:单击右键→“属性”,或者是选择“选项”菜单中的“Sheet Properties”,弹出“表单属性”对话框,在“网络名字”栏选择“全显示”,就会在画好的电路图中的每个节点显示其标志,如图 2.24 所示。

图 2.24 “表单属性”对话框

③执行菜单“仿真”→“分析”命令,弹出如图 2.25 所示的仿真分析菜单,选择所需分析命令,出现相应的分析工具对话框。

④设置仿真分析参数,根据需要设置参数。

⑤观察仿真分析结果。

本节以单管放大电路作为待分析电路介绍几种主要的分析方法,将分别介绍每种分析方法的启动分析命令、分析工具对话框参数的设置及分析结果的获取等,单管放大电路图如图 2.26所示。

图 2.25 仿真分析菜单

图 2.26 单管放大电路

2.2.1 直流工作点分析

直流工作点分析也称静态工作点分析,是分析电路中各节点的直流电压及电流情况。电路的直流工作点分析是在电路中的交流电源被自动置零、电容视为开路、电感视为短路、数字器件视为高阻接地时,计算电路的直流工作点。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,以便使其工作在正确的区域,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。

(1)启动分析命令

执行菜单“仿真”→“分析”→“直流工作点分析”命令,弹出直流工作点分析对话框,如图2.27 所示。

图 2.27 “直流工作点分析”对话框

(2)设置参数

只需设置“输出”选项卡的“电路变量”栏,选定需要分析的节点。

(3)观察仿真结果

单击对话框下部的“仿真”按钮即可进行仿真分析,得到如图 2.28 所示的仿真分析结果,图中显示的是所选节点的直流工作点值。根据这些值的大小,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。

图 2.28 直流工作点分析结果

2.2.2 交流分析

交流分析用于分析电路在正弦小信号工作条件下的频率特性。它计算电路的幅频特性和相频特性,是一种线性分析方法。分析前需先选定被分析的节点,在进行交流分析时,电路中的直流源将自动置零,交流信号源、电容、电感等均处在交流模式,无论电路的信号源是三角波还是矩形波,在进行交流分析时都将被自动设置为正弦波,分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲线。

(1)启动分析命令

执行菜单“仿真”→“分析”→“交流分析”命令,弹出如图 2.29 所示的“交流小信号分析”对话框。

图 2.29 “交流小信号”对话框

(2)设置参数

“交流小信号分析”对话框中有“频率参数”“输出”“分析选项”和“摘要”4 个选项卡。其中“输出”“分析选项”和“摘要”3 个选项卡的设置同直流工作点分析,“频率参数”的设置如下:

①开始频率:设置分析的开始频率,默认设置为 1 Hz。

②终止频率:设置扫描终止频率,默认设置为 10 GHz。

③扫描类型:设置分析的扫描方式,有十倍频程、倍频程和线性 3 种方式,默认设置为十倍频程扫描。

④每十倍频程点数:设置每十倍频率的分析采样数,默认设置为 10。

⑤纵坐标:设置扫描时的垂直刻度形式,有线性、对数、分贝和倍频程,默认设置为对数形式。

⑥重置为默认:将所有设置恢复为默认值。

(3)观察仿真结果

单击对话框下部的“仿真”按钮即可进行仿真分析,得到如图 2.30 所示的仿真分析结果,图中显示的是所选节点幅频特性曲线和相频特性曲线,图 2.31 所示幅频特性曲线上的游标的数字说明窗口,显示两个游标分别对应的 X Y 坐标及其坐标差等信息。将两个游标拖至上、下限截止频率处时,游标数字窗口中显示电路的通频带d x ≈32.9 MHz。

图 2.30 交流分析结果

图 2.31 游标数字窗口

2.2.3 瞬态分析

瞬态分析是一种非线性时域分析方法,即观察所选定的节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。 Multisim 10 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 10 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,也可自行定义时间步长,以满足一些特殊要求。

(1)启动分析命令

执行菜单“仿真”→“分析”→“瞬态分析”命令,弹出如图 2.32 所示的“瞬态分析”对话框。

图 2.32 “瞬态分析”对话框

(2)设置参数

“瞬态分析”对话框中有“分析参数”“输出”“分析选项”和“摘要”4 个选项卡。其中“输出”“分析选项”和“摘要”3 个选项卡的设置同直流工作点分析,“分析参数”的设置如下:

①Initial conditions(初始条件):设置初始条件,初始条件有 4 个条件可供选择:设置为 0、用户自定义、计算直流工作点、自动确定初始条件,默认设置为自动确定初始条件。

②参数:可对时间间隔和步长等参数进行设置,包括“开始时间”“终止时间”和“最大时间步长设置”。

③更多选项:选择“设置初始时间步长”,由用户自行确定起始时间步长,如不选择则由Multisim 10 自动决定最为合理的步长时间。选择“基于网络列表估算最大的时间步长”,根据网表来估算最大时间步长。

(3)观察仿真结果

单击对话框下部的“仿真”按钮即可进行仿真分析,得到如图 2.33 所示的仿真分析结果,图中显示的是所选节点的电压或电流随时间变化的瞬态曲线,利用游标功能通过游标数字窗口可读出曲线上某点的瞬时值,如图 2.34 所示。

图 2.33 瞬态分析的结果

图 2.34 游标数字窗口

2.2.4 傅里叶分析

傅里叶分析是一种分析复杂周期性信号的方法,用于分析一个时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量,把被测节点处的时域变化信号做离散傅里叶变换,求出其频域变化规律。在进行傅里叶分析时,必须先选择被分析的节点,一般将电路中的交流信号源频率设为基频,如果电路中有多个交流信号源,则取各信号源频率的最小公因数。

(1)启动分析命令

执行菜单“仿真”→“分析”→“傅里叶分析”命令,弹出如图 2.35 所示的“傅里叶分析”对话框。

图 2.35 “傅里叶分析”对话框

(2)设置参数

“傅里叶分析”对话框中有“分析参数”“输出”“分析选项”和“摘要”4 个选项卡。“分析参数”的设置如下:

①采样选项区:设置傅里叶分析的基本参数。

频率分辨率(基频):设置基频,如果是一个信号源取该信号源频率,如果是多个信号源,则取各信号源频率的最小公倍数。如果不知道如何设置时,可以单击“估算”按钮,由程序自动设置。

谐波数:设置分析的谐波次数。

采样终止时间:设置停止采样的时间。如果不知道如何设置时,可单击“估算”按钮,由程序自动设置。

②结果区:选择仿真结果的显示方式。

显示相位:如果选中,分析结果则会同时显示相频特性。

以条状图显示:如果选中,以线条图形的方式显示分析的结果。

标准图:如果选中,可以显示归一化的频谱图。

在“显示”列表中可以选择所要显示的项目,有 3 个选项:图表、图形及图表和图形。

在“纵坐标”列表中可以选择频谱的纵坐标刻度,其中包括线性、对数、分贝和倍频程。

③更多选项区。

内插多项式等级:设置多项式的维数,如选择,在右边栏内填入维数值。

采样频率:设置取样频率,默认为 100 000 Hz。

(3)观察仿真结果

单击对话框下部的“仿真”按钮即可进行仿真分析,得到如图 2.36 所示的仿真分析结果,图中显示的是所选节点的电压频谱图及各谐波分量表。

图 2.36 傅里叶分析的结果

2.2.5 噪声分析

噪声分析就是定量分析电路中电阻和半导体器件在工作时产生噪声的大小。分析时,假定电路中的各噪声源是互不相关的,因此其数值可以分开各自计算。总的噪声是各噪声在该节点的和(用有效值表示)。

(1)启动分析命令

执行菜单“仿真”→“分析”→“噪声分析”命令,弹出如图 2.37 所示的“噪声分析”对话框。

图 2.37 “噪声分析”对话框

(2)设置参数

“噪声分析”对话框中有“分析参数”“频率参数”“输出”“分析选项”和“摘要”5 个选项卡。“分析参数”的设置如下:

①输入噪声参考源:选择作为噪声输入的交流电压源。

②输出节点:选择输出噪声的节点位置。

③参考节点:选择参考节点,默认设置为接地点。

④设置单位摘要的点:选择此选项时,输出显示的噪声分布为曲线形式,未选择时,输出显示为数据形式。

(3)观察仿真结果

单击对话框下部的“仿真”按钮即可进行仿真分析,得到如图 2.38 所示的仿真分析结果,图中显示的是噪声源对电路输出的影响曲线。

图 2.38 噪声分析结果

2.2.6 失真分析

放大电路输出信号的失真通常是由电路频率不理想引起的幅度失真和相位失真,也有因增益的非线性产生的谐波失真和相位的不一致产生的互调失真。 Multisim 10 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 10 的失真分析将计算每点的二次和三次谐波产生的失真。

(1)启动分析命令

执行菜单“仿真”→“分析”→“失真分析”命令,弹出如图 2.39 所示的“失真分析”对话框。

(2)设置参数

“失真分析”对话框中有“分析参数”“输出”“分析选项”和“摘要”4 个选项卡。“分析参数”的设置和交流分析的分析参数设置基本相同。在图 2.39 中,若选择“F2 / F1 比率”时,如果电路中有两个交流信号源F1 和F2(设F1>F2),则该分析将寻找电路变量在(F1+F2)、(F1-F2)和(2F1-F2)3 个频率上的谐波失真。本电路只有一个交流信号源,因此不选择该项。

双击单管放大电路的交流信号源V1 图标,打开其对话框设置Distortion Frequency 1 Magnitude为 10 mV,按“确定”键确认。

图 2.39 “失真分析”对话框

(3)观察仿真结果

单击对话框下部的“仿真”按钮即可进行仿真分析,得到如图 2.40 所示的仿真分析结果,图中显示的是电路输出端的二次谐波和三次谐波的失真幅频特性和相频特性图。利用指针功能可读出曲线上某点二次谐波或三次谐波的幅频值和相频值。

图 2.40 失真分析结果 XMFKZ4SsE0XvP0wqIevG5LtqMpTjanW+kOIB4+DFonQVVuvdpOAcqYqfdk7AEiIt

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