Multisim10基本分析方法

2、Multisim10的基本分析方法1主要內容2.1直流工作點分析（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參數和利用Multisim10提供的十幾種分析工具，進行分析。常用的分析工具有：直流工作點分析、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，且比用實際儀器測量的分析精度高、測量范圍寬。下面將詳細介紹常用基本分析方法的作用、分析過程的建立、分析對話框的使用以及測試結果的分析等內容。3直流工作點分析也稱靜態(tài)工作點分析，電路的直流分析是在電路中電容開路、電感短路時，計算電路的直流工作點，即在恒定激勵條件下求電路的穩(wěn)態(tài)值。在電路工作時，無論是大信號還是小信號，都必須給半導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，才能進一步分析電路在交流信號作用下電路能否正常工作。求解電路的直流工作點在電路分析過程中是至關重要的。2.1直流工作點分析

42.1.1構造電路為了分析電路的交流信號是否能正常放大，必須了解電路的直流工作點設置得是否合理，所以首先應對電路得直流工作點進行分析。在Multisim10工作區(qū)構造一個單管放大電路，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，則出現直流工作點分析對話框，如圖所示。直流工作點分析對話框包括3頁。61.Output頁Output頁用于選定需要分析的節(jié)點。左邊Variablesincircuit欄內列出電路中各節(jié)點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。具體做法是先在左邊Variablesincircuit欄內中選中需要分析的變量（可以通過鼠標拖拉進行全選），再點擊Plotduringsimulation按鈕，相應變量則會出現在Selectedvariablesfor欄中。如果Selectedvariablesfor欄中的某個變量不需要分析，則先選中它，然后點擊Remove按鈕，該變量將會回到左邊Variablesincircuit欄中。72.AnalysisOptions頁

點擊AnalysisOptions按鈕進入AnalysisOptions頁，其中排列了與該分析有關的其它分析選項設置，通常應該采用默認的。83.Summary頁點擊Summary按鈕進入Summary頁，如圖所示。Summary頁中排列了該分析所設置的所有參數和選項。用戶通過檢查可以確認這些參數的設置。92.1.3檢查測試結果直流工作點的測試結果如圖所示。測試結果給出電路各個節(jié)點的電壓值。根據這些電壓的大小，可以確定該電路的靜態(tài)工作點是否合理。如果不合理，可以改變電路中的某個參數，利用這種方法，可以觀察電路中某個元件參數的改變對電路直流工作點的影響。10交流分析是在正弦小信號工作條件下的一種頻域分析。它計算電路的幅頻特性和相頻特性，是一種線性分析方法。Multisim10在進行交流頻率分析時，首先分析電路的直流工作點，并在直流工作點處對各個非線性元件做線性化處理，得到線性化的交流小信號等效電路，并用交流小信號等效電路計算電路輸出交流信號的變化。在進行交流分析時，電路工作區(qū)中自行設置的輸入信號將被忽略。也就是說，無論給電路的信號源設置的是三角波還是矩形波，進行交流分析時，都將自動設置為正弦波信號，分析電路隨正弦信號頻率變化的頻率響應曲線。

2.2交流分析

112.2.1構造電路這里仍采用單管放大電路作為實驗電路，電路如圖所示。122.2.2啟動交流分析工具執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇ACAnalysis，則出現交流分析對話框，如圖所示。13對話框中FrequencyParameters頁的設置項目、單位以及默認值等內容見表所示。項目默認值注釋Startfrequency（起始頻率）1交流分析時的起始頻率，可選單位有：Hz、KHz、MHz、GHzStopfrequency（終止頻率）10交流分析時的終止頻率，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（掃描點數）10起點到終點共有多少個頻率點，對線性掃描項才有效Verticalscale（垂直刻度）Logarithmic（對數）掃描時的垂直刻度，可選項有：Linear、Logarithmic、Decibel、Octave142.2.3檢查測試結果電路的交流分析測試曲線如圖所示,測試結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號節(jié)點（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號節(jié)點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范圍內放大信號，放大倍數基本穩(wěn)定，且相位基本穩(wěn)定。超出此范圍，輸出電壓將會衰減，相位會改變。15瞬態(tài)分析是一種非線性時域分析方法，是在給定輸入激勵信號時，分析電路輸出端的瞬態(tài)響應。Multisim在進行瞬態(tài)分析時，首先計算電路的初始狀態(tài)，然后從初始時刻起，到某個給定的時間范圍內，選擇合理的時間步長，計算輸出端在每個時間點的輸出電壓，輸出電壓由一個完整周期中的各個時間點的電壓來決定。啟動瞬態(tài)分析時，只要定義起始時間和終止時間，Multisim可以自動調節(jié)合理的時間步進值，以兼顧分析精度和計算時需要的時間，也可以自行定義時間步長，以滿足一些特殊要求。

2.3瞬態(tài)分析

162.3.1構造電路構造一個單管放大電路，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，出現瞬態(tài)分析對話框，如圖所示。18瞬態(tài)分析對話框中AnalysisParameters頁的設置項目、單位以及默認值等內容見表所示。選項默認值含義和設置要求Paramenters（參數）Starttime（起始時間）0s瞬態(tài)分析的起始時間必須大于或等于零，且應小于結束時間。Endtime（終止時間）0.001s瞬態(tài)分析的終止時間必須大于起始時間。Maximuntimestepsettings（設置最大時間步長）選中如果選中該項，則可以在以下三相中挑選一項。Minimumnumberoftimepoints、Maximumtimestep、GeneratetimestepsautomaticallyMinimumnumberoftimepoints（最小時間點數）100自起始時間至結束時間之間，模擬輸出的點數。Maximumtimestep（最大步進時間）1e-005s模擬時的最大步進時間。Generatetimestepsautomatically（自動產生步進時間）選中Multisim將自動決定最為合理最大步進時間。192.3.3檢查分析結果放大電路的瞬態(tài)分析曲線如圖1.7.8所示。分析曲線給出輸出節(jié)點1電壓隨時間變化的波形，縱軸坐標是電壓，橫軸是時間軸。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1直流工作點電壓9.6772V。瞬態(tài)分析的結果同樣可以用示波器觀察到。20傅立葉分析是一種分析復雜周期性信號的方法。它將非正弦周期信號分解為一系列正弦波、余弦波和直流分量之和。根據傅立葉級數的數學原理，周期函數f(t)可以寫為

傅立葉分析以圖表或圖形方式給出信號電壓分量的幅值頻譜和相位頻譜。傅立葉分析同時也計算了信號的總諧波失真（THD），THD定義為信號的各次諧波幅度平方和的平方根再除以信號的基波幅度，并以百分數表示：

2.4傅立葉分析

212.4.1構造電路構造一個單管放大電路，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源電壓幅值達到50mv時，輸出端電壓信號已出現較嚴重的非線性失真，這也就意味著在輸出信號中出現了輸入信號中未有的諧波分量。222.4.2啟動交流分析工具執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇FourierAnalysis，則出現傅立葉分析對話框，如圖所示。23傅立葉分析對話框中AnalysisParameters頁的設置項目及默認值等內容見表所示。選項區(qū)選項含義和設置要求Samplingoptions（采樣選項）Frequencyresolution（基頻）取交流信號源頻率。如果電路中有多個交流信號源，則取各信號源頻率的最小公因數。點擊Estimate按鈕，系統(tǒng)將自動設置。Numberofharmonics（諧波數）設置需要計算的諧波個數。Stoptimeforsampling（停止采樣時間）設置停止采樣時間。如點擊Estimate按鈕，系統(tǒng)將自動設置。Results(結果)Displayphase（相位顯示）如果選中，分析結果則會同時顯示相頻特性。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果。Normalizegraphs（歸一化圖形）如果選中，分析結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（對數）、Decibel（分貝）、或Octave（八倍）。242.4.3檢查分析結果傅立葉分析結果如圖所示。如果放大電路輸出信號沒有失真，在理想情況下，信號的直流分量應該為零，各次諧波分量幅值也應該為零，總諧波失真也應該為零。從圖可以看出，輸出信號直流分量幅值約為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。同時可以看到總諧波失真（THD）約為35.96%，這表明輸出信號非線性失真相當嚴重。線條圖形方式給出的信號幅頻圖譜直觀地顯示了各次諧波分量的幅值。25放大電路輸出信號沒有失真情況下分析結果放大電路輸出信號嚴重失真情況下分析結果26放大電路輸出信號的失真通常是由電路增益的非線性與相位不一致造成的。增益的非線性將會產生諧波失真，相位的不一致將產生互調失真。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。如果電路有一個交流信號，Multisim的失真分析將計算每點的二次和三次諧波的復變值；如果電路有兩個交流信號，則分析三個特定頻率的復變值，這三個頻率分別是：（f1＋f2），（f1－f2），（2f1－f2）。2.5失真分析

272.5.1構造電路設計一個單管放大電路，電路參數及電路結構如圖所示。對該電路進行直流工作點分析后，表明該電路直流工作點設計合理。在電路的輸入端加入一個交流電壓源作為輸入信號，其幅度為10mV，頻率為1kHz。282.5.2啟動失真分析工具執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇TransientAnalysis，則出現瞬態(tài)分析對話框，如圖所示。29失真分析對話框中AnalysisParameters頁的設置項目、單位以及默認值等內容見表所示。選項默認值含義和設置要求Startfrequency（起始頻率）1Hz設置起始頻率。Stopfrequency（終止頻率）10GHz設置終止頻率。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(十倍頻點數)10設置每十倍頻的采樣點數。Verticalscale（垂直刻度）Logarithm垂直刻度可以選Linear（線性）、Lograrithm（對數）、Decibel（分貝）或Octave（八倍）。F2/F1ratio0.1（不選）選中時，在F1掃描期間，F2設定為該比率乘以起始頻率，應>0，<1。ResettomainACvalues按鈕將所有設置恢復為與交流分析相同的設置值。Resettodefault按鈕將所有設置恢復為默認值。302.5.3檢查分析結果電路的失真分析結果如圖所示。由于該電路只有一個輸入信號，因此，失真分析結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體器件在工作時都會產生噪聲，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等效電路，計算由電阻和半導體器件所產生的噪聲總和。假設噪聲源互不相關，而且這些噪聲值都獨立計算，總噪聲等于各個噪聲源對于特定輸出節(jié)點的噪聲均方根之和。

2.6噪聲分析

322.6.1構造電路構造單管放大電路，雙擊信號電壓源符號，在屬性對話框中DistortionFrequency1Magnitude:項目下設置為1V。然后繼續(xù)分析該單管放大電路。332.6.2啟動噪聲分析工具執(zhí)行菜單命令Simulate/Analyses，在列出的可操作分析類型中選擇NoiseAnalysis，則出現噪聲分析對話框，如圖所示。34噪聲分析對話框中AnalysisParameters頁的設置項目及其注釋等內容見表所示。35噪聲分析對話框中FrequencyParameters頁如圖所示。其中設置項目及其注釋等內容見下表所示。36選項默認值含義和設置要求Inputnoisereferencesource（輸入噪聲參考源）電路的輸入源選擇交流信號源輸入。Outputnode（輸出節(jié)點）電路中的節(jié)點選擇輸出噪聲的節(jié)點位置。在該節(jié)點計算電路所有元器件產生的噪聲電壓均方根之和。Referencenode（參考節(jié)點）0默認值為接地點。Setpointspersummary（設置每匯總時計算的點數）1選中時，噪聲分析時將產生所選元件的噪聲軌跡，在右邊填入頻率步進數。372.6.3檢查分析結果這里仍采用單管放大電路作為實驗電路，噪聲分析AnalysisParameters選項卡設置見前圖。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