Multisim模擬電路仿真實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)19 Multisim模擬電路仿真實(shí)驗(yàn) 1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)用Multisim實(shí)現(xiàn)電路仿真分析的主要步驟。（2）用仿真手段對(duì)電路性能作較深入的研究。2.預(yù)習(xí)內(nèi)容 對(duì)仿真電路需要測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算，以便將測(cè)量值與理論值進(jìn)行對(duì)照。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)19-1 基本單管放大電路的仿真研究 射極電流負(fù)反饋放大電路的仿真電路如下圖所示。三極管的電流放大系數(shù)設(shè)置為60。（1） 調(diào)節(jié)Rw，使VE=1.2V;（2） 用“直流工作點(diǎn)分析”功能進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，并與估算值比較；（3） 用示波器觀測(cè)輸入、輸出電壓波形的幅度和相位關(guān)系，并測(cè)量電壓放大倍數(shù)，與估算值比較；（4） 用波特圖儀觀測(cè)幅

2、頻特性和相頻特性，并測(cè)量電壓放大倍數(shù)和帶寬（測(cè)出下線截止頻率和上限截止頻率即可）；（5） 用“交流分析”功能測(cè)量幅頻特性和相頻特性；（6） 加大輸入信號(hào)幅度，觀測(cè)輸出電壓波形何時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真，并用失真度分析儀測(cè)量信號(hào)的失真度；（7） 設(shè)計(jì)測(cè)量輸入電阻、輸出電阻的方法并測(cè)量之。（測(cè)輸入電阻采用“加壓求流法”，測(cè)輸出電阻采用改變負(fù)載電阻測(cè)輸出電壓進(jìn)而估算輸出電阻的方法，即r0=(UoOUoL-1)RL。式中，UoO是輸出端空載時(shí)的輸出電壓，UoL是接入負(fù)載RL時(shí)的輸出電壓。輸入信號(hào)頻率選用1000HZ）。（8） 將RE1去掉，將RE2的值改為1.2k，即靜態(tài)工作點(diǎn)不變，重測(cè)電壓放大倍數(shù)、上下限截止頻

3、率及輸入電阻。將測(cè)得的放大倍數(shù)、上下限截止頻率和輸入電阻進(jìn)行列表對(duì)比，說明RE1對(duì)這三個(gè)參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：（1） 靜態(tài)直流工作點(diǎn)分析理論上，VE=1.2mV;IE=VERE1+RE2=1mA;IB=IE1+=16.39A;IC=IB=0.9836mA;UCE=VCC-RC*IC-VE=7.554V。 實(shí)際測(cè)量結(jié)果如下： VE=1.20022mV;相對(duì)誤差為0.018%；IE=1.00018mA; 相對(duì)誤差為0.018%；IB=15.94774A; 相對(duì)誤差為2.698%； IC=0.9842mA; 相對(duì)誤差為0.061%； UCE=7.55181V; 相對(duì)誤差為0.029%；由此可見，

4、靜態(tài)工作點(diǎn)的理論預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值十分接近。其中IB誤差最大，其主要影響因素應(yīng)當(dāng)是根據(jù)模擬的參數(shù)設(shè)置，該三極管是實(shí)際三極管而并非理想三極管，在實(shí)際電流放大倍數(shù)方面與理論值有一定的誤差。（2） 觀測(cè)輸入、輸出電壓波形和相位關(guān)系，測(cè)量放大倍數(shù)；理論分析：rbe=300+1+26IE=1886；Au=-Rcrbe+(1+)RE1=-14.057;輸出電壓與輸入電壓反相；實(shí)際測(cè)量結(jié)果如下：示波器測(cè)量結(jié)果：Au=-13.942;相對(duì)誤差為0.821%；使用交流分析測(cè)量：Au=-13.8361;相對(duì)誤差為1.571%；分析結(jié)果：理論計(jì)算的放大倍數(shù)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差很小，可以認(rèn)為理論計(jì)算是可信的。主要誤差原

5、因仍然應(yīng)該是三極管的實(shí)際電流放大倍數(shù)與理論值有一定誤差；（3） 用波特圖儀觀測(cè)幅頻特性和相頻特性，并測(cè)量電壓放大倍數(shù)和帶寬中心頻率：上限截止頻率：下限截止頻率：使用波特圖儀分析結(jié)果為：上限截止頻率18.588MHz,下限截止頻率17.626Hz,帶寬18.588MHz。使用交流分析結(jié)果：中心頻率：上下限截止頻率：使用交流分析結(jié)果為：上限截止頻率18.2499MHz,下限截止頻率17.5083Hz,帶寬18.2499MHz。（4） 用“交流分析”功能測(cè)量幅頻特性和相頻特性測(cè)量結(jié)果如下： 中心頻率約在15.7833kHz，由（3）中測(cè)量結(jié)果可知，上限截止頻率18.2449MHz,下限截止頻率9.7

6、413Hz,帶寬18.2449MHz。 單管放大電路的幅頻特性為：輸入信號(hào)的頻率在放大電路中心頻率附近的放大倍數(shù)最大，放大倍數(shù)隨著輸入信號(hào)頻率向兩側(cè)變化而遞減，截止頻率對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)為最大放大倍數(shù)的12倍。 相頻特性：a. 輸入信號(hào)的頻率等于中心頻率時(shí)，輸出輸入信號(hào)同相；b. 輸入信號(hào)的頻率小于中心頻率時(shí)，輸出信號(hào)落后于輸入信號(hào)，在中心頻率附近接近反相，落后的相位值隨著輸入信號(hào)頻率的減小而減小；c. 輸入信號(hào)的頻率大于中心頻率時(shí)，輸出信號(hào)超前于輸入信號(hào)，在中心頻率附近接近反相，落后的相位值隨著輸入信號(hào)頻率的減小而減小；(5) 觀測(cè)電壓波形失真：測(cè)量結(jié)果如下：當(dāng)輸入電壓提高至200mV時(shí)，輸出電

7、壓波形出現(xiàn)飽和失真，失真度為9.092%；（5） 測(cè)量輸入電阻、輸出電阻：a. 輸入電阻采用加壓求流法，測(cè)量結(jié)果如下：ui=1.00000mV;ii=148.35881nA;ri=uiii=6740.041；b. 測(cè)量輸出電阻采用改變負(fù)載電阻測(cè)輸出電壓進(jìn)而估計(jì)輸出電阻的方法，測(cè)量結(jié)果如下：空載時(shí)：接入負(fù)載電阻RL=5k時(shí):測(cè)量結(jié)果為：UoO=13.84248mV;UoL=8.42498mV;r0=UoOUoL-1RL=3.21514k；由此可見，單管放大電路的輸出電阻較大，放大倍數(shù)受負(fù)載影響較明顯；（6） 將RE1去掉，將RE2的值改為1.2k，即靜態(tài)工作點(diǎn)不變，重測(cè)電壓放大倍數(shù)、上下限截止頻

8、率及輸入電阻。測(cè)量結(jié)果如下：測(cè)量放大倍數(shù)：Au=-94.8342；中心頻率：上下限截止頻率：上限截止頻率為18.6325MHz，下限截止頻率為106.4209Hz，帶寬為18.6324MHz；輸入電阻測(cè)量結(jié)果如下：ri=uiii=1871.139；列表對(duì)照如下：Aufc1/Hzfc2/MHzri/RE1=0-94.8342132.831518.63241871.139RE1=1k-13.844717.508318.24996740.041分析結(jié)果：由表格數(shù)據(jù)可知，RE1=0時(shí):電壓放大倍數(shù)變大；上下截止頻率均有所增加，通頻帶寬度略微變大；輸入電阻明顯變??；可知，引入RE1，將使電壓放大倍數(shù)減小

9、，上下截止頻率減小，通頻帶寬度減小，但是能夠有效提高輸入電阻，減小信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)19-2 有源濾波器仿真（1） 低通濾波器輸入下圖的二階低通濾波器電路。用波特圖儀觀察電路的幅頻特性和相頻特性，測(cè)量通帶電壓放大倍數(shù)和截止頻率。再利用“交流分析”重測(cè)通帶電壓放大倍數(shù)和截止頻率。將兩種方法獲得的數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行比較。理論計(jì)算：f0=12RC=102.43Hz;使用波特圖儀測(cè)量結(jié)果如下：截止頻率為102.196Hz；相對(duì)誤差為0.2284%；測(cè)量通頻帶電壓放大倍數(shù)(取10Hz點(diǎn))：由實(shí)測(cè)結(jié)果由波特圖曲線公式dB=20lgAuAup，且dB=-0.034，Aup=1，可知電壓放大倍

10、數(shù)為1.011，相對(duì)誤差1.10%；使用交流分析結(jié)果如下：截止頻率為102.3192Hz，相對(duì)誤差為0.108%；測(cè)量通頻帶電壓放大倍數(shù)(由于分貝數(shù)一直改變，故取通頻帶中點(diǎn)）：由實(shí)測(cè)結(jié)果由幅頻特性曲線的曲線公式dB=20lgAuAup，且dB=-0.0347，Aup=1，可得通頻帶電壓放大倍數(shù)為1.004，相對(duì)誤差0.4%;理論計(jì)算、波特圖儀及交流分析結(jié)果列表如下：截止頻率/Hz放大倍數(shù)理論計(jì)算102.431.000波特圖儀102.1961.011交流分析102.3191.004由上表可見，理論計(jì)算、波特圖儀和交流分析實(shí)際測(cè)量的截止頻率基本相同，放大倍數(shù)也基本相同。利用交流分析測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確

11、，而造成交流分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果有誤差的主要因素是運(yùn)放的輸入電阻和輸出電阻不是無限大，同時(shí)運(yùn)放的三極管也不是理想三極管，因此實(shí)際的截止頻率和放大倍數(shù)與理論值有一定的誤差。同時(shí)，由于高頻電信號(hào)在電路中會(huì)產(chǎn)生副效應(yīng)，造成上述高通濾波器對(duì)特高頻率電信號(hào)的阻礙作用減小，因此無論是通過波特圖儀還是交流分析，都能夠發(fā)現(xiàn)幅頻特性曲線不是理論上的下行臺(tái)階形，而是在先下降后上升的形狀。(2)高通濾波器輸入電路圖如下圖所示。觀察幅頻特性和相頻特性，測(cè)量放大倍數(shù)和截止頻率，并與理論值比較。理論計(jì)算如下：由高通濾波器電路，使用KCL方程，可計(jì)算得到：Au=1;fp=122-1RC=247.291Hz;實(shí)際測(cè)量結(jié)果如

12、下：使用波特圖儀測(cè)量結(jié)果如下：截止頻率為245.462Hz，相對(duì)誤差為0.7396%；Au=1，無相對(duì)誤差；使用交流分析結(jié)果如下：Au=1.0000088471;相對(duì)誤差為0.001%；截止頻率為248.3053，相對(duì)誤差為0.4102%；截止頻率/Hz放大倍數(shù)理論計(jì)算247.2911.000波特圖儀245.4621.000交流分析248.3051.000由上表可見，理論計(jì)算、波特圖儀和交流分析實(shí)際測(cè)量的截止頻率基本相同，放大倍數(shù)可以認(rèn)為是一致。由于波特圖儀的采樣點(diǎn)數(shù)比交流分析少，利用交流分析測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，而造成交流分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果有誤差的主要因素是運(yùn)放的輸入電阻和輸出電阻不是無限大

13、，同時(shí)運(yùn)放的三極管也不是理想三極管，因此實(shí)際的截止頻率和放大倍數(shù)與理論值有一定的誤差。同時(shí)，由于高頻電信號(hào)在電路中會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)一起其他副效應(yīng)，造成上述高通濾波器對(duì)特高頻率電信號(hào)也有明顯的阻礙作用，因此無論是通過波特圖儀還是交流分析，都能夠發(fā)現(xiàn)幅頻特性曲線不是理論上的上行臺(tái)階形，而是呈現(xiàn)壘形。(3)雙T帶阻濾波器輸入電路如下圖所示。寫出此電路的傳遞函數(shù)及幅頻特性函數(shù)。選擇中心頻率f0為40100Hz之間的一個(gè)值，確定電阻、電容的參數(shù)并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，觀察幅頻特性，測(cè)f0，測(cè)f0處的輸出幅度，測(cè)上、下限截止頻率及帶寬。理論分析如下：該雙T帶阻濾波器電路為二階有源低通濾波器與二階高通濾波器的求和電路

14、，可以應(yīng)用疊加原理計(jì)算得到該電路的傳遞函數(shù)以及幅頻特性:Tj=1-RC21-RC2+j4CR=1-021-02+j4(0); 其中，0=1RC幅頻特性函數(shù)為T(j)=1-021-02+j4(0)中心頻率f0=12RC；設(shè)計(jì)中心頻率為f0=50Hz;R=626k,C=5084.822pF；測(cè)試結(jié)果如下：使用交流分析測(cè)量如下：f0=50.3602Hz；相對(duì)誤差為0.7212%；f0處的輸出幅度為-48.9313dB；上限截止頻率為212.9478Hz，下限截止頻率為11.9097Hz，帶寬為201.0381Hz；由上述數(shù)據(jù)可見，中心頻率的理論計(jì)算值與實(shí)際模擬值基本一致，阻帶的帶寬較窄，中心頻率的電

15、壓輸出幅度極小，可見有源帶阻濾波器的濾波性能較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)19-3 正弦波振蕩器仿真（1） 下圖所示文氏橋電路，中心頻率f0從2002000Hz之間任選一個(gè)值，并確定R和C的參數(shù)。就選定的參數(shù)進(jìn)行仿真，測(cè)f0、f0處的UoUi以及uo與ui的相位差，并得出結(jié)論。設(shè)計(jì)如下：R=500k,C=636.62pF,f0=500Hz;實(shí)際模擬結(jié)果如下：當(dāng)f=500Hz時(shí)f0=499.2203Hz，相對(duì)誤差0.1560%；f0處的UoUi=0.333595(示波器峰值測(cè)量結(jié)果），相對(duì)誤差0.0785%； UoUi=0.333327(波特圖儀峰值測(cè)量結(jié)果），相對(duì)誤差0.0019%； uo與ui的相位差為59.6

16、129mDeg；結(jié)論： 文氏橋電路的為RC諧振選頻網(wǎng)絡(luò)，為帶通濾波。其中心頻率的實(shí)測(cè)值與理論值基本相同；在中心頻率上，電壓放大倍數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值基本相同，為13，同時(shí)中心頻率上的電壓放大倍數(shù)最大。在中心頻率上，輸入電壓與輸出電壓基本同相；頻率小于中心頻率時(shí)，輸出電壓相位超前輸入電壓；頻率大于中心頻率時(shí)，輸出電壓相位落后于輸入電壓。（2） 用選定的參數(shù)構(gòu)成下圖的文氏橋正弦波發(fā)生器并仿真，調(diào)節(jié)R3使其起振，觀測(cè)輸出電壓從起振到穩(wěn)定一段時(shí)間的波形，并測(cè)量輸出波形的頻率及最大幅度。測(cè)量R3調(diào)節(jié)到多大時(shí)輸出會(huì)出現(xiàn)飽和失真(正負(fù)半周均產(chǎn)生飽和失真）參數(shù)設(shè)計(jì)如下： f0=500Hz,R=500k,C=636

17、.62pF其中Rw=9.99k，使得R4+R5略大于2Rw，使得電路起振；使用交流分析，結(jié)果如下：從起振到穩(wěn)定一段時(shí)間的波形：測(cè)量輸出波形的頻率及最大幅度：由上圖可得，f0501Hz,相對(duì)誤差0.2%，峰峰值為2.75V；有交流分析，可以看出峰峰值為2.7477V；測(cè)量出現(xiàn)飽和失真情況：測(cè)量結(jié)果如下：當(dāng)R3=5.474k時(shí)，輸出會(huì)發(fā)生飽和失真，且正負(fù)半周均產(chǎn)生飽和失真。小結(jié)：文氏橋正弦波發(fā)生器能夠產(chǎn)生自激振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生正弦波；但是正弦波的起振速度與電阻R4+R5與2Rw的差成正相關(guān)，因此需要精確產(chǎn)生一定頻率的正弦波時(shí)，起振時(shí)間較長，穩(wěn)定時(shí)間也比較長，同時(shí)該電路對(duì)兩個(gè)二極管的要求較高，一般的二極管難以產(chǎn)生起振效果，需要使用開關(guān)二極管。四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 通過本次的Multisim實(shí)驗(yàn)，我對(duì)濾波器的幅頻特性和傳遞函數(shù)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。通過計(jì)算理論值并進(jìn)行模擬，能夠有效地提高我對(duì)電路計(jì)算的能力，同時(shí)也更有助于我對(duì)不同濾波器的理解。由于使用模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)精度會(huì)比實(shí)際實(shí)驗(yàn)更高，因此在模擬實(shí)驗(yàn)的過程中，稍微偏大的誤差都能夠因此我的注意，讓我再仔細(xì)地檢查設(shè)計(jì)的電路。在本次實(shí)驗(yàn)中，通過仔細(xì)地檢查，我發(fā)現(xiàn)自己很容易忘記儀器和線路的接地，因此在今后的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中我將會(huì)更加注意設(shè)備的接地，以最大可能地減小實(shí)驗(yàn)誤差。通過本次試驗(yàn)，我不僅更熟