Protel99-SE-電路設(shè)計(jì)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)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(gè)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(jì)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(shí)際電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)我們啟動(dòng)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.1 直流工作點(diǎn)分析（DC Operating Point Analysis）8.1.1 相關(guān)原理直流工作點(diǎn)分析是最基本的電路分析，通常是為了計(jì)

2、算一個(gè)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。合適的靜態(tài)工作點(diǎn)是電路正常工作的前提，如果設(shè)置的不合適，會(huì)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)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(duì)話框。該對(duì)話框包括三個(gè)選項(xiàng)卡：Output、Analysis Options、Summary。下面分別介紹每個(gè)選項(xiàng)卡的功能與設(shè)置。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景“Output”選項(xiàng)卡：該選項(xiàng)卡頁(yè)面主要用來(lái)選擇所要分析的節(jié)點(diǎn)。主要包括：

3、“Variables in circuit”選項(xiàng)欄、“Selected variables for”選項(xiàng)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景“Analysis Options”選項(xiàng)卡，主要分析選項(xiàng)用來(lái)設(shè)置用戶希望的仿真參數(shù)。 主要包括：“SPICE”選項(xiàng)、其他選項(xiàng)。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景“Summary”選項(xiàng)卡：用戶可以在這里對(duì)以上的分析設(shè)置進(jìn)行總結(jié)確認(rèn)。如

4、確認(rèn)無(wú)誤，點(diǎn)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.1.3 實(shí)例仿真 如圖所示的BJT共射放大電路為例，對(duì)所有直流工作點(diǎn)仿真方法加以說(shuō)明。 選擇5，6，7點(diǎn)為仿真節(jié)點(diǎn)來(lái)分析放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，點(diǎn)擊“Simulate”按鈕，得到分析結(jié)果。 由工作在靜態(tài)工作區(qū)時(shí)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.2 交流分析（AC Analysis）8.2.1 相關(guān)原理交流分析用來(lái)計(jì)算線性電路的頻率響應(yīng)。在交流分析中首先通過(guò)直流工作點(diǎn)分析計(jì)算所有非線

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

6、rameter”選項(xiàng)卡：“Start Frequence”欄：設(shè)置交流分析的起始頻率。“Stop 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(gè)備選項(xiàng)：“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?！癗umber of point per decade”欄：設(shè)置交流分析中要計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。如對(duì)于線性掃描類型，在掃描開始和結(jié)束將用到這個(gè)點(diǎn)數(shù)。取樣點(diǎn)數(shù)越多分析越精確，但仿真速度會(huì)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(xiàng)：“Linear”（線性刻度）、“Logarithmic”（對(duì)數(shù)刻度）、“Decible”（分貝刻度）或“Octave”（八倍刻度）。默認(rèn)選擇對(duì)數(shù)刻度?！癛eset to default”按鈕：點(diǎn)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.2.3 實(shí)例仿真 圖為鉑電阻測(cè)溫電路圖，輸入電壓源選擇小信號(hào)的交流源代替。 對(duì)此電路進(jìn)行交流分析，可以看到所設(shè)計(jì)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(diǎn)的交流分析結(jié)果，可見(jiàn)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(jì)

8、及應(yīng)用 周潤(rùn)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(shí)域瞬態(tài)分析，相當(dāng)于連續(xù)性的直流工作點(diǎn)分析，通常是為了找出電子電路的時(shí)間響應(yīng)，功能類似于示波器。瞬態(tài)分析時(shí)，每個(gè)輸入周期被等間隔劃分，然后對(duì)這個(gè)周期中的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行直流分析。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波形取決于一個(gè)完整周期各時(shí)間點(diǎn)的電壓值。另外，瞬態(tài)分析時(shí)電容和電感被等效為能量存儲(chǔ)模型，用數(shù)值積分來(lái)計(jì)算一定時(shí)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.3.2 仿真設(shè)置其中包括四頁(yè)選項(xiàng)卡，除了“Analysis Parameters”頁(yè)外，其余皆與直流工作點(diǎn)分

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

10、 另外，在“Output variables”頁(yè)里，指定分析21節(jié)點(diǎn)(即測(cè)溫電路的輸入端)；最后點(diǎn)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)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(hào)的方法。當(dāng)用Multisim進(jìn)行離散傅立葉變換時(shí)，只使用電路輸出端時(shí)域或瞬態(tài)響應(yīng)基波成分的第二個(gè)周期來(lái)進(jìn)行計(jì)算，第一周期認(rèn)為是置位時(shí)間而丟棄。每一諧波的系數(shù)由時(shí)域中從周期的開始到時(shí)間t這段時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)，一般來(lái)說(shuō)是自動(dòng)設(shè)定的，且是基本頻率的一個(gè)函數(shù)。機(jī)械工業(yè)出版社 Prote

11、l 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.4.2 仿真設(shè)置除了“Analysis Parameters”頁(yè)外，其余皆與直流工作點(diǎn)分別的設(shè)定一樣。而“Analysis Parameters”頁(yè)下包括以下項(xiàng)目：“Sampling options”選項(xiàng)區(qū)域：這部分用來(lái)設(shè)定與采樣有關(guān)的參數(shù)“Results”選項(xiàng)區(qū)域：該區(qū)域用于設(shè)置結(jié)果的顯示方式“More Options”選項(xiàng)區(qū)域機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景 “Sampling options”選項(xiàng)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(gè)交流信號(hào)源，則取各信號(hào)源頻率之最小公因數(shù)。如果不知道如何設(shè)定時(shí)，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(jì)算的基本頻率的諧波次數(shù)?！癝topping time for sampling(TSTOP)”欄：本選項(xiàng)的功能是設(shè)定停止取樣的時(shí)間。如果不知道如何設(shè)定時(shí)，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(shí)分析的選項(xiàng)。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景 “Results”選項(xiàng)區(qū)域：“Display phase

13、”選項(xiàng)：本選項(xiàng)設(shè)定結(jié)果連相位圖一并顯示?！癉isplay as bar graph”選項(xiàng)：本選項(xiàng)設(shè)定結(jié)果以條形圖顯示，如果不選此項(xiàng)，則結(jié)果以線性圖表示?！癗ormalize graphs”選項(xiàng)：本選項(xiàng)設(shè)定將輸出結(jié)果的幅值歸一化，歸一化相對(duì)于基波而言?！癉isplay”選項(xiàng)：本選項(xiàng)設(shè)定所要顯示的項(xiàng)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景 “More Options”選項(xiàng)區(qū)域：“Degree of polynomial for interpolation”選項(xiàng)：本選項(xiàng)的功能是設(shè)定仿真中用于點(diǎn)間插值的多項(xiàng)式的次數(shù)，選取本

14、選項(xiàng)后，即可在其右邊方框中指定多項(xiàng)式次數(shù)?！癉isplay as bar graph”選項(xiàng)：本選項(xiàng)設(shè)定結(jié)果以條形圖顯示，如果不選此項(xiàng)，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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.4.3 實(shí)例仿真 把電路的交流源用圖中電源代替，對(duì)修改后電路進(jìn)行傅立葉分析。 基本頻率和停止時(shí)間均點(diǎn)擊“Estimate”按鈕由程序設(shè)定，基頻值最后選定為20Hz（對(duì)于多個(gè)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(duì)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(diǎn)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)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(duì)電路影響。噪聲是減小信號(hào)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(gè)電阻和半導(dǎo)體元件的噪聲模型（而非交流模型）建立一個(gè)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(guò)在設(shè)定好的頻率范圍內(nèi)對(duì)電路進(jìn)行掃描，來(lái)分析計(jì)算每個(gè)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)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(dòng)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(chǎng)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(gè)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.5.2 仿真設(shè)置 除了“Analysis Parameters”、“Frequency Parameters”頁(yè)外，其余皆與直流操作點(diǎn)分別的設(shè)定一樣?！癆nalysis Parameters”選項(xiàng)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(diǎn)，在此節(jié)點(diǎn)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(diǎn)

18、，通常取0（接地）?！癝et point per summary”選項(xiàng)：設(shè)定每個(gè)匯總的取樣點(diǎn)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(xiàng)時(shí)，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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景 Frequency Parameters選項(xiàng)卡：“Start frequency (FSTART)”欄：設(shè)定掃描的起始頻率。“Stop 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。“Number of points per deca

19、de”欄：設(shè)定每十倍頻率的取樣點(diǎn)數(shù)?！癡ertical 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(duì)數(shù)刻度)，通常是采用Logarithmic(對(duì)數(shù)刻度)或分貝刻度(Decibel選項(xiàng))。“Reset 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，噪聲分析也是通過(guò)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.5.

20、3 實(shí)例仿真 以圖中電路為例，來(lái)分析電路中電阻R1、R2和電路中所有元件對(duì)電路的總的噪聲影響。這個(gè)電路是一個(gè)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(jì)算出理論上電阻R1和R2產(chǎn)生的熱噪聲，計(jì)算過(guò)程如下：機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景在Analysis Parameters選項(xiàng)卡中將vinput作為輸入噪聲參考源、輸出節(jié)點(diǎn)設(shè)為5、并參考地。在Frequency Parameters選項(xiàng)卡中起始時(shí)間設(shè)為1Hz、終止時(shí)間設(shè)為10GHz、掃描方式設(shè)為Decade、每十倍頻的取樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為5、垂直刻度設(shè)為對(duì)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(duì)電路的總的噪聲影響，結(jié)果如圖所示，可見(jiàn)仿真結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符，而電路總的噪聲是電路中各個(gè)元件的噪聲的總和。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.6 失真分析（Distortion Analysis）8.6.1 相關(guān)原理一個(gè)性能良好的線性放大器可以放大輸入信號(hào)，而在輸出端沒(méi)有任何信號(hào)失真。實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)中常有虛假信號(hào)成分，它們以諧波或互調(diào)失真的形式加到信號(hào)中。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.6.2 仿真設(shè)置包括四頁(yè)選項(xiàng)卡，其中“Analysis Parameters”頁(yè)包括下列條目：“Start frequency

22、(FSTART)”欄：設(shè)定掃描的起始頻率。“Stop 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?！癗umber of points per decade”欄：設(shè)定每十倍頻率的采樣點(diǎn)數(shù)?！癡ertical scale”下拉列表：設(shè)定垂直刻度。“F2/F1 ratio”選項(xiàng)：該復(fù)選項(xiàng)僅當(dāng)進(jìn)行互調(diào)失真時(shí)勾選。“Reset 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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景8.6.3 實(shí)例仿真 首先來(lái)分析電路的諧波失真。雙擊交流源v11，選擇value選項(xiàng)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(diǎn)為100，垂直刻度選擇線性刻度，輸出節(jié)點(diǎn)設(shè)為21。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景二次諧波失真三次諧波失真 由這兩個(gè)圖可以看到，在10KHz到10MHz的范圍內(nèi)，存在諧波失真，應(yīng)對(duì)信號(hào)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(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)景 雙擊交流源v11，在value選項(xiàng)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(diǎn)為21。機(jī)械工業(yè)出版社 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 周潤(rùn)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(diǎn)處，需要用濾波器把信號(hào)中f1+f2諧波分量濾除掉。對(duì)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(jì)