Multisim10基本分析方法

2、Multisim10的基本分析方法1主要內(nèi)容2.1直流工作點(diǎn)分析（DCOperatingPointAnalysis）2.2交流分析（ACAnalysis）2.3瞬態(tài)分析（TransientAnalysis）2.4傅立葉分析（FourierAnalysis）2.5失真分析（DistortionAnalysis）2.6噪聲分析（NoiseAnalysis）2.7直流掃描分析（DCSweepAnalysis）2Multisim10為仿真電路提供了兩種分析方法，即利用虛擬儀表觀測電路的某項(xiàng)參數(shù)和利用Multisim10提供的十幾種分析工具，進(jìn)行分析。常用的分析工具有：直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、失真分析、噪聲分析和直流掃描分析。利用這些分析工具，可以了解電路的基本狀況、測量和分析電路的各種響應(yīng)，且比用實(shí)際儀器測量的分析精度高、測量范圍寬。下面將詳細(xì)介紹常用基本分析方法的作用、分析過程的建立、分析對(duì)話框的使用以及測試結(jié)果的分析等內(nèi)容。3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)在電路分析過程中是至關(guān)重要的。2.1直流工作點(diǎn)分析

42.1.1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Multisim10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。5執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇DCOperatingPoint，則出現(xiàn)直流工作點(diǎn)分析對(duì)話框，如圖所示。直流工作點(diǎn)分析對(duì)話框包括3頁。61.Output頁Output頁用于選定需要分析的節(jié)點(diǎn)。左邊Variablesincircuit欄內(nèi)列出電路中各節(jié)點(diǎn)電壓變量和流過電源的電流變量。右邊Selectedvariablesfor欄用于存放需要分析的節(jié)點(diǎn)。具體做法是先在左邊Variablesincircuit欄內(nèi)中選中需要分析的變量（可以通過鼠標(biāo)拖拉進(jìn)行全選），再點(diǎn)擊Plotduringsimulation按鈕，相應(yīng)變量則會(huì)出現(xiàn)在Selectedvariablesfor欄中。如果Selectedvariablesfor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Variablesincircuit欄中。72.AnalysisOptions頁

點(diǎn)擊AnalysisOptions按鈕進(jìn)入AnalysisOptions頁，其中排列了與該分析有關(guān)的其它分析選項(xiàng)設(shè)置，通常應(yīng)該采用默認(rèn)的。83.Summary頁點(diǎn)擊Summary按鈕進(jìn)入Summary頁，如圖所示。Summary頁中排列了該分析所設(shè)置的所有參數(shù)和選項(xiàng)。用戶通過檢查可以確認(rèn)這些參數(shù)的設(shè)置。92.1.3檢查測試結(jié)果直流工作點(diǎn)的測試結(jié)果如圖所示。測試結(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。10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。Multisim10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，無論給電路的信號(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交流分析

112.2.1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。122.2.2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ACAnalysis，則出現(xiàn)交流分析對(duì)話框，如圖所示。13對(duì)話框中FrequencyParameters頁的設(shè)置項(xiàng)目、單位以及默認(rèn)值等內(nèi)容見表所示。項(xiàng)目默認(rèn)值注釋Startfrequency（起始頻率）1交流分析時(shí)的起始頻率，可選單位有：Hz、KHz、MHz、GHzStopfrequency（終止頻率）10交流分析時(shí)的終止頻率，可選單位有：Hz、KHz、MHz、GHzSweeptype（掃描類型）Decade（10倍刻度掃描）交流分析曲線的頻率變化方式，可選有：Decade、Linear（線性刻度掃描）、Octave（8倍刻度掃描）Numberofpointsperdecade（掃描點(diǎn)數(shù)）10起點(diǎn)到終點(diǎn)共有多少個(gè)頻率點(diǎn)，對(duì)線性掃描項(xiàng)才有效Verticalscale（垂直刻度）Logarithmic（對(duì)數(shù)）掃描時(shí)的垂直刻度，可選項(xiàng)有：Linear、Logarithmic、Decibel、Octave142.2.3檢查測試結(jié)果電路的交流分析測試曲線如圖所示,測試結(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7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。15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)間步長，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，以滿足一些特殊要求。

2.3瞬態(tài)分析

162.3.1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。172.3.2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TransientAnalysis，出現(xiàn)瞬態(tài)分析對(duì)話框，如圖所示。18瞬態(tài)分析對(duì)話框中AnalysisParameters頁的設(shè)置項(xiàng)目、單位以及默認(rèn)值等內(nèi)容見表所示。選項(xiàng)默認(rèn)值含義和設(shè)置要求Paramenters（參數(shù)）Starttime（起始時(shí)間）0s瞬態(tài)分析的起始時(shí)間必須大于或等于零，且應(yīng)小于結(jié)束時(shí)間。Endtime（終止時(shí)間）0.001s瞬態(tài)分析的終止時(shí)間必須大于起始時(shí)間。Maximuntimestepsettings（設(shè)置最大時(shí)間步長）選中如果選中該項(xiàng)，則可以在以下三相中挑選一項(xiàng)。Minimumnumberoftimepoints、Maximumtimestep、GeneratetimestepsautomaticallyMinimumnumberoftimepoints（最小時(shí)間點(diǎn)數(shù)）100自起始時(shí)間至結(jié)束時(shí)間之間，模擬輸出的點(diǎn)數(shù)。Maximumtimestep（最大步進(jìn)時(shí)間）1e-005s模擬時(shí)的最大步進(jìn)時(shí)間。Generatetimestepsautomatically（自動(dòng)產(chǎn)生步進(jìn)時(shí)間）選中Multisim將自動(dòng)決定最為合理最大步進(jìn)時(shí)間。192.3.3檢查分析結(jié)果放大電路的瞬態(tài)分析曲線如圖1.7.8所示。分析曲線給出輸出節(jié)點(diǎn)1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瞬態(tài)波形初始值為單管放大電路節(jié)點(diǎn)1直流工作點(diǎn)電壓9.6772V。瞬態(tài)分析的結(jié)果同樣可以用示波器觀察到。20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傅立葉分析

212.4.1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。222.4.2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FourierAnalysis，則出現(xiàn)傅立葉分析對(duì)話框，如圖所示。23傅立葉分析對(duì)話框中AnalysisParameters頁的設(shè)置項(xiàng)目及默認(rèn)值等內(nèi)容見表所示。選項(xiàng)區(qū)選項(xiàng)含義和設(shè)置要求Samplingoptions（采樣選項(xiàng)）Frequencyresolution（基頻）取交流信號(hào)源頻率。如果電路中有多個(gè)交流信號(hào)源，則取各信號(hào)源頻率的最小公因數(shù)。點(diǎn)擊Estimate按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)設(shè)置。Numberofharmonics（諧波數(shù)）設(shè)置需要計(jì)算的諧波個(gè)數(shù)。Stoptimeforsampling（停止采樣時(shí)間）設(shè)置停止采樣時(shí)間。如點(diǎn)擊Estimate按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)設(shè)置。Results(結(jié)果)Displayphase（相位顯示）如果選中，分析結(jié)果則會(huì)同時(shí)顯示相頻特性。Displayasbargraph(線條圖形方式顯示)如果選中，以線條圖形方式顯示分析的結(jié)果。Normalizegraphs（歸一化圖形）如果選中，分析結(jié)果則繪出歸一化圖形。Displays（顯示）顯示形式選擇：可選Chart（圖表）、Graph（圖形）或ChartandGraph（圖表和圖形）。VericalScale（縱軸刻度）縱軸刻度選擇：可選Linea（線性）、Logrithmic（對(duì)數(shù)）、Decibel（分貝）、或Octave（八倍）。242.4.3檢查分析結(jié)果傅立葉分析結(jié)果如圖所示。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4.36V，2次諧波分量幅值約為1.58V，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。25放大電路輸出信號(hào)沒有失真情況下分析結(jié)果放大電路輸出信號(hào)嚴(yán)重失真情況下分析結(jié)果26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：（f1＋f2），（f1－f2），（2f1－f2）。2.5失真分析

272.5.1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10mV，頻率為1kHz。282.5.2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TransientAnalysis，則出現(xiàn)瞬態(tài)分析對(duì)話框，如圖所示。29失真分析對(duì)話框中AnalysisParameters頁的設(shè)置項(xiàng)目、單位以及默認(rèn)值等內(nèi)容見表所示。選項(xiàng)默認(rèn)值含義和設(shè)置要求Startfrequency（起始頻率）1Hz設(shè)置起始頻率。Stopfrequency（終止頻率）10GHz設(shè)置終止頻率。Sweeptype（掃描類型）Decade掃描類型可選Decade（10倍刻度掃描）、Linear（線性刻度掃描）或Octave（8倍刻度掃描）。Numberofpointsperdecade(十倍頻點(diǎn)數(shù))10設(shè)置每十倍頻的采樣點(diǎn)數(shù)。Verticalscale（垂直刻度）Logarithm垂直刻度可以選Linear（線性）、Lograrithm（對(duì)數(shù)）、Decibel（分貝）或Octave（八倍）。F2/F1ratio0.1（不選）選中時(shí)，在F1掃描期間，F(xiàn)2設(shè)定為該比率乘以起始頻率，應(yīng)>0，<1。ResettomainACvalues按鈕將所有設(shè)置恢復(fù)為與交流分析相同的設(shè)置值。Resettodefault按鈕將所有設(shè)置恢復(fù)為默認(rèn)值。302.5.3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。31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。Multisim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噪聲分析

322.6.1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DistortionFrequency1Magnitude:項(xiàng)目下設(shè)置為1V。然后繼續(xù)分析該單管放大電路。332.6.2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NoiseAnalysis，則出現(xiàn)噪聲分析對(duì)話框，如圖所示。34噪聲分析對(duì)話框中AnalysisParameters頁的設(shè)置項(xiàng)目及其注釋等內(nèi)容見表所示。35噪聲分析對(duì)話框中FrequencyParameters頁如圖所示。其中設(shè)置項(xiàng)目及其注釋等內(nèi)容見下表所示。36選項(xiàng)默認(rèn)值含義和設(shè)置要求Inputnoisereferencesource（輸入噪聲參考源）電路的輸入源選擇交流信號(hào)源輸入。Outputnode（輸出節(jié)點(diǎn)）電路中的節(jié)點(diǎn)選擇輸出噪聲的節(jié)點(diǎn)位置。在該節(jié)點(diǎn)計(jì)算電路所有元器件產(chǎn)生的噪聲電壓均方根之和。Referencenode（參考節(jié)點(diǎn)）0默認(rèn)值為接地點(diǎn)。Setpointspersummary（設(shè)置每匯總時(shí)計(jì)算的點(diǎn)數(shù)）1選中時(shí)，噪聲分析時(shí)將產(chǎn)生所選元件的噪聲軌跡，在右邊填入頻率步進(jìn)數(shù)。372.6.3檢查分析結(jié)果這里仍采用單管放大電路作為實(shí)驗(yàn)電路，噪聲分析AnalysisParameters選項(xiàng)卡設(shè)置見前圖。下圖是選取十倍程的掃描方式下，輸出變量為inoise-spectrum(輸入噪聲頻譜)和onoise-spectrum(輸出噪聲頻譜)的輸出波形。其中上面一條曲線是總的輸出噪聲電壓隨頻