通信電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 課件 第2章 Multisim軟件使用基礎(chǔ)

第2章Multisim軟件使用基礎(chǔ)2.1用戶接口2.2工程管理2.3元件數(shù)據(jù)庫2.4電路仿真2.5仿真分析

2.1用戶接口

Multisim的用戶接口界面如圖2.1所示。

圖2.1Multisim用戶接口界面

菜單欄包含所有命令的集合，標(biāo)準(zhǔn)工具欄包含常用功能按鈕，支持自定義功能，模擬工具欄包含啟動(dòng)、停止和模擬等其他仿真功能的按鈕，儀器工具欄包含所有儀器按鈕，元件工具欄可以實(shí)現(xiàn)從Multisim數(shù)據(jù)庫中選擇元件構(gòu)造原理圖的目標(biāo)。電路窗口(或工作區(qū))用來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)工具箱，可以瀏覽工程中不同類型的文件如原理圖、印制電路板(PCB)、報(bào)告，查看原理圖的層次結(jié)構(gòu)以及顯示或隱藏不同的圖層。電子表格視圖允許快速查看和編輯參數(shù)，包括元件詳細(xì)信息，進(jìn)行封裝、標(biāo)識、屬性和設(shè)計(jì)約束操作。用戶可以在一個(gè)步驟中更改某些或所有元件的參數(shù)，并執(zhí)行許多其他功能。

2.2工程管理

使用Multisim工程管理可以幫助管理與設(shè)計(jì)相關(guān)的各種文件，簡稱設(shè)計(jì)工具箱(DesignToolbox)，其管理界面如圖2.2所示。工程是文件的集合，這些文件包括所有電路設(shè)計(jì)文件、使用Ultiboard生成的PCB布局文件、模擬輸出文件、外部設(shè)計(jì)文檔(例如，用MicrosoftWord編寫的文件)以及報(bào)告等。實(shí)際上，任何文件都可以分組到一個(gè)工程中。

圖2.2Multisim工程管理界面

此外，工程管理還提供了一些工具來管理工程文件，譬如對它們進(jìn)行版本控制、備份、恢復(fù)以及移動(dòng)操作等。除了這些常規(guī)的文件處理操作外，Multisim工程管理還提供了文件鎖定功能，該功能能夠防止多個(gè)設(shè)計(jì)人員同時(shí)處理同一個(gè)文件。

2.2.1工程的創(chuàng)建

新建一個(gè)工程需要進(jìn)行如下操作：

(1)單擊文件／新建工程按鈕，將出現(xiàn)“新建工程”對話框。

(2)選擇工程文件的存儲文件夾以及備份文件夾，如果文件夾尚不存在，則需要單擊位置字段旁邊的按鈕以瀏覽所需位置，并創(chuàng)建它們。

(3)單擊“確定”保存工程，將出現(xiàn)“設(shè)計(jì)工具箱”的“工程視圖(ProjectView)”選項(xiàng)卡。若需要取消，則單擊“取消”。

工程建立好之后，文件目錄將出現(xiàn)在工程目錄下，可參見圖2.2

接下來可以進(jìn)一步按照下面的步驟將電路文件添加到該工程：

(1)右鍵單擊工程瀏覽器(工程管理界面)中的Schematic

(原理圖)文件夾，從出現(xiàn)的彈出菜單中，選擇“添加文件”按鈕。該操作完畢后將顯示標(biāo)準(zhǔn)文件選擇器窗口。

(2)導(dǎo)航至電路文件所在目錄，選擇相應(yīng)電路文件并單擊“打開”。該操作完成后文件名稱將顯示在工程瀏覽器中，電路文件成功添加至工程。

上述操作完成后，將光標(biāo)懸停在文件名上可以查看其完整文件路徑。工程視圖選項(xiàng)卡中將顯示以下文件夾：

(1)原理圖文件夾——用于在Multisim中繪制電路原理圖。一個(gè)工程中可以有多個(gè)電路原理圖文件。

(2)PCB文件夾——用于在Ultiboard中生成電路板相關(guān)文件，邏輯上是與工程原理圖相匹配的PCB文件。

(3)文檔文件夾——用于存儲要為工程收集的文檔。例如，工程的MSWord描述、成本的Excel電子表格等。

(4)報(bào)告文件夾——用于存儲Multisim生成的報(bào)告，例如，物料清單、網(wǎng)表報(bào)告等。

要將已有的PCB文件、文檔或報(bào)告文件添加到工程，用右鍵單擊所需文件類型的文件夾，然后選擇添加文件。在顯示的文件瀏覽器中，導(dǎo)航到所需的文件，然后單擊“打開”按鈕。要從工程中刪除文件，用右鍵單擊該文件，然后選擇“刪除”按鈕。要保存工程，選擇“文件/保存工程”按鈕。要關(guān)閉工程，選擇“文件/關(guān)閉工程”按鈕。通過選擇“文件/最近工程”按鈕，并從顯示的列表中選擇，可以快速訪問已關(guān)閉的工程。

2.2.2工程文件導(dǎo)入

打開一個(gè)工程需要進(jìn)行如下操作：

(1)選擇“文件/打開工程”選項(xiàng)卡，將出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Windows文件瀏覽器。

(2)導(dǎo)航到所需的文件夾并打開工程文件。

如果需要編輯最近打開的工程文件，可以進(jìn)行如下操作：

(1)選擇“文件/最近的工程”選項(xiàng)卡，

(2)從顯示的列表中選擇所需工程。

不管用哪一種方式打開工程，工程瀏覽器都會顯示該工程中所有文件的列表。在工程中打開已有文件也有兩種方式。其一可以選擇直接在工程瀏覽器中雙擊電路文件。如果該

文件未被其他用戶使用，則會打開該文件，如果正在使用，系統(tǒng)會提示您以只讀方式打開它。其二可以進(jìn)行如下操作：

(1)在“設(shè)計(jì)工具箱”的“工程視圖”選項(xiàng)卡中右鍵單擊電路文件名。

(2)從彈出菜單中選擇“打開文件進(jìn)行編輯”或“打開為只讀”選項(xiàng)卡。如果該文件已被其他用戶打開，則“打開要編輯的文件”命令將不可用，如果以只讀方式打開文件，則無法將更改保存到該文件。

2.2.3工程文件管理

Multisim提供文件鎖定、解鎖和查看功能。

若要鎖定文件，阻止其他人打開文件，需在工程瀏覽器中用右鍵單擊文件名，然后從彈出菜單中選擇“鎖定文件”按鈕。

若要解鎖文件，將其釋放以供其他人使用，需在工程瀏覽器中用右鍵單擊文件名，然后從出現(xiàn)的彈出菜單中選擇“解鎖文件”按鈕。

若要查看文件信息，需在工程瀏覽器中右鍵單擊文件名，然后從彈出菜單中選擇“屬性”按鈕，“文件屬性”對話框?qū)⒊霈F(xiàn)在界面上，用戶可以根據(jù)需要查看或者編輯文件屬性。

2.3元件數(shù)據(jù)庫

2.3.1元件數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

Multisim元件數(shù)據(jù)庫旨在保存元件相關(guān)信息，它包含原理圖捕獲(符號)，仿真(模型)和PCB布局(封裝)以及其他電氣信息所需的一切。

Multisim提供三個(gè)級別的數(shù)據(jù)庫：主數(shù)據(jù)庫、企業(yè)數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫，其用途如下。

(1)主數(shù)據(jù)庫存儲Multisim提供的元件信息，為了確保信息的完整性，這些元件的信息無法編輯。

(2)企業(yè)數(shù)據(jù)庫存儲由個(gè)人用戶或公司/機(jī)構(gòu)選擇可能修改或創(chuàng)建的元件，這些仍可供任何其他選定用戶使用。

(3)用戶數(shù)據(jù)庫存儲用戶修改、導(dǎo)入或創(chuàng)建的元件。

從上述描述可以看出：主數(shù)據(jù)庫是只讀的，包含電子工作臺提供的元件，企業(yè)數(shù)據(jù)庫主要面向在工程中工作的公司/機(jī)構(gòu)(或個(gè)人)，其中具有特定屬性的元件在組或工程中共享，用戶數(shù)據(jù)庫對個(gè)人用戶是私有的，它用于存儲個(gè)人構(gòu)建的非共享元件。

Multisim同時(shí)提供各種數(shù)據(jù)庫管理工具，以便在數(shù)據(jù)庫之間移動(dòng)元件，合并數(shù)據(jù)庫并編輯它們。首次使用Multisim時(shí)，用戶數(shù)據(jù)庫和公司數(shù)據(jù)庫為空。用戶可以使用元件編輯

創(chuàng)建常用元件，并使用用戶數(shù)據(jù)庫來存儲它們，這一內(nèi)容將在下一章中介紹。設(shè)計(jì)人員對原始數(shù)據(jù)庫中的元件進(jìn)行的任何編輯不會影響此前使用的該類元件，但會影響之后選擇的該類元件。當(dāng)設(shè)計(jì)人員從數(shù)據(jù)庫中選擇一個(gè)元件并將其放到電路上時(shí)，相當(dāng)于建立了一個(gè)數(shù)據(jù)庫中元件的副本，對副本進(jìn)行的任何編輯都不會影響原始數(shù)據(jù)庫和電路上的該類元件。保存電路時(shí)，元件信息也隨之保存。加載時(shí)，用戶可以選擇保持加載的部分不變，使副本放入其用戶或公司數(shù)據(jù)庫，或者使用數(shù)據(jù)庫中的最新值更新具有相似名稱的元件。

如果用戶需要新建或者修改元件，創(chuàng)建自己的版本，則必須將其存儲在用戶數(shù)據(jù)庫或公司數(shù)據(jù)庫中，主數(shù)據(jù)庫是不可修改的。當(dāng)然，用戶可以使用所有可用數(shù)據(jù)庫中的元件構(gòu)建自己的電路。

Multisim可將元件劃分為邏輯組，并支持進(jìn)一步將組細(xì)分為相關(guān)元件系列：信號源、二極管、基本元件、晶體管、模擬集成電路、TTL(晶體管晶體管邏輯電平)元件、CMOS

(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)元件、MCU(微控制單元/單片機(jī))模塊(僅適用于可選的MultisimMCU模塊)、數(shù)字集成電路、混合芯片、指示器、電源、RF(射頻)元件、機(jī)電、梯形圖、控制元件。

2.3.2元件查找

用戶可以通過瀏覽可用數(shù)據(jù)或設(shè)定條件搜索來查找元件。本節(jié)將具體介紹這些方法。

Multisim帶有強(qiáng)大的搜索引擎，并且提供的瀏覽器對話框可以幫助用戶在數(shù)據(jù)庫中的任何位置瀏覽元件。如果用戶了解所需元件類型的信息，可以幫助用戶快速定位元件。Multisim會將符合條件的元件在瀏覽器中呈現(xiàn)，并供選擇。

要執(zhí)行數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)搜索操作，需要完成以下步驟：

(1)在如圖2.3所示的菜單工具欄中選擇“放置/元件”按鈕以顯示“元件瀏覽器”。圖2.3菜單工具欄

(2)單擊“搜索”按鈕將出現(xiàn)如圖2.4所示的“搜索元件”對話框。

(3)單擊圖2.4中的“高級”按鈕，可顯示其他搜索選項(xiàng)。

圖2.4“搜索元件”對話框

(4)在相應(yīng)字段中輸入搜索條件(必須至少輸入一個(gè)工程)。搜索條件字符包括文本或數(shù)字，不考慮大小寫。使用“*”通配符可搜索部分字符串，而字符串中任何位置的“?”只能與一個(gè)字符匹配。例如，在“封裝類型”字段中：

①“CASE64606”只找到確切的字符串“CASE64606”，

②“*06”查找以“06”結(jié)尾的任何字符串，

③“CASE*”查找以“CASE”開頭的任何字符串，

④“CAS?”將匹配“CASE”，但不匹配“CASE64606”。

(5)單擊“搜索”按鈕得到搜索結(jié)果。

搜索結(jié)果顯示符合條件的所有元件列表。例如，使用上面的搜索示例。從左側(cè)“元件”列表中單擊選擇所需元件，右下方顯示字段會顯示相應(yīng)元器件詳細(xì)信息。

(6)選擇好所需元件后，單擊“確定”按鈕放置元件。

如果用戶想從大量工程中優(yōu)化搜索，可以進(jìn)行如下嘗試：

①單擊“優(yōu)化搜索(RefineSearch)”，將出現(xiàn)優(yōu)化搜索元件結(jié)果對話框，如圖2.5所示。

②輸入所需參數(shù)并單擊“搜索”按鈕。

圖2.5優(yōu)化搜索元件結(jié)果對話框

2.4電路仿真

仿真是模擬電路行為的數(shù)學(xué)方法。通過仿真，可以在不構(gòu)建電路或不使用實(shí)際測試儀器的情況下確定電路的大部分性能。雖然Multisim使仿真直觀易用，但實(shí)現(xiàn)仿真所需要掌握的仿真速度和準(zhǔn)確性以及易用性的技術(shù)仍然很復(fù)雜。本節(jié)將介紹Multisim中可用的仿真類型，每種類型適用的應(yīng)用，如何單獨(dú)使用仿真類型，以及仿真中的基礎(chǔ)邏輯。此外，本節(jié)還將介紹可用的電路向?qū)б约肮收吓懦湾e(cuò)誤模擬的工具。

2.4.1Multisim仿真方法

使用Multisim時(shí)，我們既可通過單擊“運(yùn)行/恢復(fù)模擬”按鈕，也可通過選擇“仿真/運(yùn)行”菜單開始模擬電路行為，進(jìn)行電路仿真?？蛻粜枰褂锰摂M儀器或運(yùn)行分析來顯示模

擬輸出，模擬輸出包括所有Multisim仿真引擎的組合結(jié)果。在Multisim中使用交互式模擬時(shí)(通過單擊“運(yùn)行/恢復(fù)模擬”按鈕)，用戶不僅可以通過查看示波器等虛擬儀器立即查看模擬結(jié)果，而且還可以查看模擬對LED和7段數(shù)字顯示器等元件的影響。除了交互式仿真，用戶還可以在電路上進(jìn)行大量分析。分析結(jié)果會顯示在Grapher(自動(dòng)記錄器/圖示器)中，也可以保存以供處理器的后續(xù)操作。

2.4.2MultisimSPICE仿真的技術(shù)細(xì)節(jié)

在創(chuàng)建電路原理圖并開始仿真之后，模擬器將給出電路解決方案，并在示波器等儀器上顯示生成的數(shù)據(jù)。具體地說，模擬器是Multisim的一部分，它計(jì)算用戶創(chuàng)建電路的數(shù)值解(數(shù)學(xué)表示)。

為了進(jìn)行該計(jì)算，電路中的每個(gè)分量都用數(shù)學(xué)模型來表示，通過數(shù)學(xué)模型將電路窗口中的原理圖與用于仿真的數(shù)學(xué)表示關(guān)聯(lián)起來。元件的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性決定了仿真結(jié)果與

實(shí)際電路性能的匹配程度。

電路的數(shù)學(xué)表示由一組非線性微分方程組成，模擬器的主要任務(wù)是以數(shù)字方式求解這些方程。基于SPICE的仿真器將非線性微分方程轉(zhuǎn)換為一組線性代數(shù)方程，并使用改進(jìn)的

Newton-Raphson方法進(jìn)一步線性化這些方程，然后通過使用LU分解方法稀疏矩陣處理方法最終有效地求解所得的線性代數(shù)方程組。

如表2.1所述，Multisim中的模擬器有輸入、設(shè)置、分析和輸出四個(gè)主要階段。

基于SPICE的仿真首先將原理圖轉(zhuǎn)換為SPICE網(wǎng)表，網(wǎng)表會由Multisim自動(dòng)生成。SPICE網(wǎng)表模板存儲在Multisim的擴(kuò)展零件數(shù)據(jù)庫中，在網(wǎng)表生成期間，這些模板將進(jìn)行擴(kuò)展，以便在生成的SPICE網(wǎng)表中使用。生成SPICE網(wǎng)表的示例如圖2.6所示。圖2.6中上方為幅度調(diào)制器電路，下方的文字是Multisim自動(dòng)生成的網(wǎng)表的一小部分，該網(wǎng)表是執(zhí)行模擬所需的SPICE實(shí)際輸入。在輸入程序進(jìn)行如構(gòu)建原理圖等工作之前，設(shè)計(jì)人員在分析電路時(shí)都需要為自己單獨(dú)創(chuàng)建這樣的SPICE網(wǎng)表。現(xiàn)代原理圖捕獲工具除了為PCB布局或?yàn)槠渌掠位顒?dòng)(如IC或FPGA設(shè)計(jì))提供前端外，還可以自動(dòng)完成這項(xiàng)任務(wù)。

圖2.6SPICE網(wǎng)表示例

SPICE生成的矩陣可以通過數(shù)學(xué)方式求解，得到電路每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的電壓。如果有需要，生成的矩陣也可以包含當(dāng)前分支以便使用方程求解。并且，無論何時(shí)使用電壓源，都會出現(xiàn)電流分支。另外強(qiáng)調(diào)一個(gè)SPICE技巧，用戶如果需要在SPICE中測量電流，只需要插入0V電壓源，它不會影響電路，但會強(qiáng)制SPICE計(jì)算流過0V電源的電流。

對于以交互式仿真為基礎(chǔ)的瞬態(tài)分析，模擬的每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)都會求解矩陣。因?yàn)樵谀M中存在非線性模擬部分，所以在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)會使用連續(xù)近似來計(jì)算最終節(jié)點(diǎn)電壓結(jié)

果。在某些情況下，這些結(jié)果可能不會收斂。發(fā)生這種情況時(shí)，SPICE會恢復(fù)到先前使用的時(shí)間步長的1/8，然后再繼續(xù)進(jìn)行模擬。

2.5仿真分析

Multisim利用模擬生成了大量分析結(jié)果供用戶使用。這些分析的范圍可以從較為復(fù)雜到非常復(fù)雜，并且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地將一個(gè)分析作為另一個(gè)分析的基礎(chǔ)，最終得到結(jié)論。對于每個(gè)分析，用戶需要先設(shè)置好，這些設(shè)置將指示Multisim用戶希望分析什么。除了Multisim提供的分析之外，用戶還可以根據(jù)輸入的SPICE命令創(chuàng)建用戶自定義的分析。

激活分析時(shí)，除非用戶另行指定，Grapher中的繪圖將會顯示結(jié)果，并供保存以備后續(xù)處理器使用。某些結(jié)果也會寫入審計(jì)跟蹤(文件)，供用戶查看。

分析正在運(yùn)行中時(shí)，狀態(tài)欄將會顯示模擬運(yùn)行指示器，且指示燈閃爍，直到分析完成。

要顯示繪圖，可選擇菜單/Grapher按鈕。

Grapher是一種多功能顯示工具，可讓用戶查看、調(diào)整、保存和導(dǎo)出圖形和圖表。它用于顯示：

(1)圖形和圖表中所有Multisim分析的結(jié)果。

(2)某些儀器的跡線圖(例如后續(xù)處理器，示波器和波特圖的結(jié)果)。

顯示屏顯示分析結(jié)果圖形和圖表如圖2.7所示。在圖表中，數(shù)據(jù)沿垂直軸和水平軸顯示為一個(gè)或多個(gè)跡線，文本數(shù)據(jù)以行和列顯示，窗口由幾個(gè)選項(xiàng)卡頁面組成，具體頁面數(shù)取決于運(yùn)行了多少分析。

圖2.7Multisim分析結(jié)果圖

每個(gè)頁面都有兩個(gè)可能的活動(dòng)區(qū)域，整個(gè)頁面用左邊緣的箭頭表示，圖表/圖表的頁面名稱附近有活動(dòng)圖表/圖表左邊緣的箭頭。某些功能(例如剪切/復(fù)制/粘貼)僅影響活動(dòng)區(qū)域，因此請確保在執(zhí)行功能之前選擇了所需的區(qū)域。

2.5.1直流工作點(diǎn)分析

直流工作點(diǎn)分析(DC分析)確定電路的直流工作點(diǎn)。DC分析的結(jié)果通常是進(jìn)一步分析的中間值。例如，從DC分析獲得的結(jié)果確定了用于AC頻率分析的任何非線性元件(例如二極管和晶體管)的近似線性化小信號模型。

直流分析時(shí)，可以假設(shè)：

(1)交流電源被清零，

(2)電容器是開放的，

(3)電感器短路，

(4)數(shù)字元件被視為接地的大電阻。

下面以Colpitts(考畢茲)振蕩器為例，來分析節(jié)點(diǎn)3處的DC工作點(diǎn)結(jié)果。采樣電路如圖2.8所示。

圖2.8直流工作點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)3)分析電路

對上面的運(yùn)行DC工作點(diǎn)進(jìn)行分析，從采樣電路運(yùn)行DC工作點(diǎn)的結(jié)果如圖2.9所示，圖中顯示結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。

圖2.9直流工作點(diǎn)分析結(jié)果

2.5.2交流分析

交流分析(AC分析)，也稱交流頻率分析，用于計(jì)算線性電路的頻率響應(yīng)。在AC分析中，首先計(jì)算DC工作點(diǎn)以獲得所有非線性元件的線性小信號模型，然后創(chuàng)建復(fù)雜矩陣(包含實(shí)部和虛部)，為了構(gòu)造矩陣，DC源被賦予零值。線性元件(交流電源、電容器和電感器)由其AC模型表示，非線性元件由線性AC小信號模型表示，所有輸入源都用正弦曲線表示。如果函數(shù)發(fā)生器設(shè)置為方波或三角波形，它將在內(nèi)部自動(dòng)切換為正弦波形進(jìn)行分析。最后，AC分析計(jì)算交流電路響應(yīng)與頻率的關(guān)系。

AC分析如圖2.10所示，用戶可以通過雙擊輸入源，并在屬性對話框的“值(Value)”選項(xiàng)卡中輸入設(shè)置來指定交流頻率分析的源的大小和相位，輸入ACAnalysisMagnitude(AC分析幅度)和ACAnalysisPhase(AC分析相位)的設(shè)置。此對話框中的其他設(shè)置用于其他分析或使用儀器進(jìn)行模擬。

圖2.10AC分析

在“AC分析”對話框的“頻率參數(shù)”選項(xiàng)卡中進(jìn)行以下設(shè)置：

(1)起始頻率(FSTART)——掃描的起始頻率。

(2)停止頻率(FSTOP)——掃描的停止頻率。

(3)掃描類型——十進(jìn)制，線性或倍頻。將計(jì)算點(diǎn)定義在整個(gè)頻率范圍內(nèi)分布。

(4)積分?jǐn)?shù)——分析期間要計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。對于線性掃描類型，可使用開始和結(jié)束之間的點(diǎn)數(shù)。

(5)垂直刻度——線性，對數(shù)，十進(jìn)制或倍頻垂直刻度。垂直刻度控制輸出圖形上的

y

軸縮放。

交流頻率分析的結(jié)果分為兩部分：增益與頻率、相位與頻率。如果將Bode繪圖儀連接到電路并激活電路，也會執(zhí)行類似的分析。

2.5.3瞬態(tài)分析

瞬態(tài)分析也稱為時(shí)域瞬態(tài)分析，是指Multisim計(jì)算電路作為時(shí)間函數(shù)的響應(yīng)。每個(gè)輸入周期被分成間隔，并且對周期中的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行DC分析。一個(gè)完整周期內(nèi)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓值決定了節(jié)點(diǎn)處電壓波形的解決方案。設(shè)置瞬態(tài)分析參數(shù)的對話框如圖2.11所示。

圖2.11瞬態(tài)分析設(shè)置對話框

瞬態(tài)分析的結(jié)果是電壓與時(shí)間的計(jì)算。如果將示波器連接到電路并激活電路，則會執(zhí)行類似的分析。初始條件可設(shè)置為：

(1)自動(dòng)確定初始條件——Multisim嘗試使用DC工作點(diǎn)作為初始條件來啟動(dòng)模擬。如果模擬失敗，則使用用戶定義的初始條件。

(2)計(jì)算直流工作點(diǎn)——Multisim首先計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)，然后將該結(jié)果用作瞬態(tài)分析的初始條件。

(3)設(shè)置為零——瞬態(tài)分析從零初始條件開始。

(4)用戶定義———分析從“瞬態(tài)分析”對話框中設(shè)置的初始條件開始。

2.5.4傅里葉分析

傅里葉分析是一種分析復(fù)雜周期信號的方法，它將非正弦周期函數(shù)按照傅里葉級數(shù)定理分解為無限或者有限個(gè)正弦或余弦波和DC分量，譬如周期函數(shù)f(t)可以寫成：

每個(gè)頻率分量(或項(xiàng))由周期波形的相應(yīng)諧波產(chǎn)生。

其中，A0為原始波的DC分量，

A1cosωt+B1

sinωt為基波分量(與原波具有相同的頻率和周期)，

An

cosnωt+Bnsinnωt為函數(shù)的n次諧波，

A，B為系數(shù)，2π/T為基本角頻率，或原始周期波頻率的2π倍。

根據(jù)疊加原理，總波形是每一項(xiàng)諧波疊加的總和。這里需要注意，隨著諧波次數(shù)的增加，諧波的幅度逐漸減小，這表明可以用相對較少的項(xiàng)產(chǎn)生原始波形的近似。當(dāng)Multisim執(zhí)行離散傅里葉變換(DFT)時(shí)，將第一個(gè)周期丟棄掉，僅使用時(shí)域或瞬態(tài)響應(yīng)基本分量的第二個(gè)周期(在輸出節(jié)點(diǎn)處提取)來模擬原始信號。從周期開始到時(shí)間點(diǎn)t，Multisim自動(dòng)利用從時(shí)域中收集的數(shù)據(jù)來計(jì)算每個(gè)諧波的系數(shù)，該分析過程需要利用到與AC源的頻率或多個(gè)AC源的最低公因子匹配的基頻。在執(zhí)行分析之前，需要檢查電路并在對話框中選擇輸出節(jié)點(diǎn)。

傅里葉分析可以產(chǎn)生電壓分量幅度圖，也可產(chǎn)生相位分量與頻率的關(guān)系圖。默認(rèn)情況下，幅度圖是條形圖，也可以人為選擇折線圖。該分析還可取每個(gè)n次諧波的平方和的平方根，然后將該數(shù)除以缺口基頻的幅度來計(jì)算總諧波失真(THD)百分比。即

傅里葉分析過程參數(shù)可在如圖2.12所示的對話框中設(shè)置。圖2.12傅里葉分析圖2.12傅里葉分析

2.5.5噪聲分析

噪聲為電能或電磁能，會降低信號質(zhì)量。不管是數(shù)字、模擬還是任何通信系統(tǒng)，都需要考慮噪聲對系統(tǒng)性能的影響。Multisim使用電阻器和半導(dǎo)體器件的噪聲模型代替AC模

型來創(chuàng)建電路的噪聲模型，然后執(zhí)行類似AC的分析。它計(jì)算每個(gè)分量的噪聲影響，并將其顯示到掃描分析對話框中，并輸出在指定的頻率范圍內(nèi)的分析結(jié)果。

Multisim將每個(gè)電阻器和半導(dǎo)體器件都視為噪聲源(輸入噪聲參考源)，并將其影響通過傳遞函數(shù)計(jì)算和傳播到電路的輸出節(jié)點(diǎn)。輸出節(jié)點(diǎn)處的“總輸出噪聲”是各個(gè)噪聲源貢獻(xiàn)的均方根(RMS)之和，將其除以輸入源到輸出源的增益，即可得到“等效輸入噪聲”，也就是(輸出源)噪聲量。如果在輸入源處注入無噪聲電路，也將得到該輸出噪聲量?！翱傒敵鲈肼暋彪妷杭瓤梢詤⒖冀拥?節(jié)點(diǎn))，也可以參考電路中的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在這種情況下，總輸出噪聲跨越這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在執(zhí)行分析之前，用戶需檢查電路并確定輸入噪聲參考源(為方便起見，下圖中的vv1指電壓源U1，下文不再贅述)、輸出節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)。噪聲分析參數(shù)可在如圖2.13所示的對話框中設(shè)置。

圖2.13噪聲分析

2.5.6失真分析

完美的線性放大器將放大輸入信號，輸出端將沒有任何信號失真。然而，現(xiàn)實(shí)情況下總是存在偽信號分量，其以諧波或互調(diào)失真的形式被添加到信號中。

1.諧波失真

可以使用以下公式描述完美的線性放大器：

Y=AX，其中Y是輸出信號，X是輸入信號，A是放大器增益。包括更高階項(xiàng)的一般表達(dá)式由以下給出：

Y=AX+BX2+CX3+DX4+…，其中B和C等是高階項(xiàng)的常數(shù)系數(shù)。

上式中的第二項(xiàng)稱為二階分量，第三項(xiàng)稱為三階分量，依此類推?？梢酝ㄟ^將光譜純信號源應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)來分析諧波失真。通過分析輸出信號及其諧波，可以確定失真情況。Multisim將計(jì)算諧波頻率2f和3f處的節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流，并在掃描用戶定義的頻率范圍時(shí)顯示輸入頻率f的結(jié)果。

2.互調(diào)失真

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號同時(shí)輸入放大器時(shí)，會發(fā)生互調(diào)失真。在這種情況下，信號的相互作用產(chǎn)生互調(diào)效應(yīng)。該分析將確定在互調(diào)產(chǎn)物頻率f1+f2，f1-f-和2f1-f2與用戶定義的掃頻頻率之間的節(jié)點(diǎn)電壓和分支電流。

要啟動(dòng)失真分析，請選擇模擬/分析/失真分析。在執(zhí)行分析之前，請檢查電路并確定一個(gè)或多個(gè)信號源以及一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。接下來，設(shè)置失真分析參數(shù)，如圖2.14所示。用戶可以將“失真分析”的頻率范圍設(shè)置為掃描時(shí)的范圍，設(shè)置每個(gè)掃描間隔的點(diǎn)數(shù)和垂直標(biāo)度。注意：僅互調(diào)失真時(shí)考慮f2/f1的值，諧波失真忽略該比率。

圖2.14失真分析

2.5.7直流掃描分析

直流掃描分析在Multisim中執(zhí)行以下過程。

(1)采用直流工作點(diǎn)。

(2)來自信號源的值遞增，并計(jì)算另一個(gè)DC工作點(diǎn)。

此過程允許用戶多次模擬電路，將DC值掃描到預(yù)定范圍內(nèi)。用戶可以通過選擇開始和停止值以及DC范圍的增量來控制信號源的值。針對掃描的每個(gè)值計(jì)算電路的偏置點(diǎn)。

為計(jì)算電路的直流響應(yīng)，SPICE將所有電容器視為開路，所有電感器均為短路，并僅使用電壓和電流源的直流值。

DC掃描分析參數(shù)可以在以下對話框中設(shè)置。

1.設(shè)置DC掃描分析參數(shù)

直流掃描分析如圖2.15所示，對于正常使用，用戶只需要設(shè)置：

·掃描源，通過從Source1選項(xiàng)下的Source下拉列表中進(jìn)行選擇。

·通過在“開始值”字段中輸入掃描的起始值。

·通過在“停止值”字段中輸入掃描的停止值。

·通過在“增量”字段中輸入掃描的增量值。

圖2.15直流掃描分析

2.使用濾波器設(shè)置DC掃描分析參數(shù)

用戶可以過濾顯示的變量以包括內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，例如BJT(雙載子晶體管)模型內(nèi)或SPICE子電路內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，打開引腳以及電路中包含的任何子模塊的輸出變量。

過濾要顯示的變量輸入步驟如下：

(1)單擊“更改篩選”，將出現(xiàn)“過濾器節(jié)點(diǎn)”對話框。

(2)啟用一個(gè)或多個(gè)設(shè)置。

(3)單擊“確定”。

3.直流掃描分析示例

直流掃描分析示例如圖2.16(a)所示，我們將U2從0V變?yōu)?0V，并觀察節(jié)點(diǎn)3處的輸出。

設(shè)置分析參數(shù)：

(1)選擇Simulate/Analyzes/DCSweep，然后單擊AnalysisParameters選項(xiàng)卡。

(2)輸入如圖2.16(b)顯示的值。圖2.16直流掃描分析示例圖2.16直流掃描分析示例

(3)在“輸出”選項(xiàng)卡中，直流掃描分析參數(shù)的輸入值如圖2.17所示。圖2.17直流掃描分析參數(shù)

(4)單擊“模擬”按鈕，直流掃描分析輸出顯示如圖2.18所示。圖2.18直流掃描分析輸出顯示

(5)要查看光標(biāo)和DC傳輸特性，請?jiān)趫D示器視圖/顯示/隱藏光標(biāo)中選擇。將顯示兩個(gè)光標(biāo)。將光標(biāo)2移動(dòng)到圖形的左側(cè)，將光標(biāo)1向右移動(dòng)，沿x軸向上排列，U2=20V。

光標(biāo)設(shè)置為vv2(U2)=20V(x1)，在上圖中顯示y1的傳輸特性，顯示值15.9982V。因此，當(dāng)DC源U2設(shè)置為20V時(shí)，直流掃描分析圖形顯示，然后輸出表格晶體管的集電極為15.99V。

2.5.8直流和交流靈敏度分析

靈敏度分析有助于確定電路元件對輸出信號的影響程度。因此，可以使用更嚴(yán)格的公差來指定關(guān)鍵元件，并且這些元件是優(yōu)化的最佳選擇。同樣，可以識別最不重要的元件，從而選用低精度的此類元件以降低成本，因?yàn)樗鼈兊木炔粫?yán)重影響設(shè)計(jì)性能。

靈敏度分析可以計(jì)算輸出節(jié)點(diǎn)電壓或電流相對于電路中元件參數(shù)的靈敏度。靈敏度表示為每單位輸入變化的輸出變化(值和百分比)。

敏感度分析包括：

·直流靈敏度

·AC靈敏度

兩種分析都通過獨(dú)立地改變每個(gè)參數(shù)來計(jì)算輸出電壓或電流發(fā)生的變化。DC靈敏度分析的結(jié)果以表格形式顯示在圖示器上。AC靈敏度分析繪制了在用戶定義的頻率范圍內(nèi)

選擇的每個(gè)參數(shù)的AC圖。

設(shè)置靈敏度分析時(shí)，必須指定以下選項(xiàng)：

1)輸出節(jié)點(diǎn)電壓/電流

·電壓：靈敏度分析將查看節(jié)點(diǎn)電壓。

———輸出節(jié)點(diǎn)：選擇要檢查的節(jié)點(diǎn)

———輸出參考：選擇“輸出”節(jié)點(diǎn)的參考點(diǎn)，通常這是節(jié)點(diǎn)0(接地)。

·電流：輸出電流將用于確定靈敏度。

·表達(dá)式：在“輸出表達(dá)式”字段中直接輸入用于分析的輸出表達(dá)式，或單擊“編輯”以顯示“分析表達(dá)式”對話框。

2)輸出縮放：選擇絕對或相對

·絕對：所選元件參數(shù)的每單位變化的輸出電壓或電流變化。

·相對：當(dāng)元件參數(shù)不變時(shí)，所選元件參數(shù)相對于參考電壓或電流的每次相對變化的輸出電壓或電流變化。

3)分析類型

·直流靈敏度：直流靈敏度分析可生成電路節(jié)點(diǎn)輸出電壓相對于所有元件及其參數(shù)的報(bào)告。用戶可以選擇對電流源或電壓源進(jìn)行直流靈敏度分析。

·交流靈敏度：交流靈敏度分析繪制元件每個(gè)參數(shù)的交流圖(頻域)。

2.5.9參數(shù)掃描分析

參數(shù)掃描分析是通過模擬元件參數(shù)的一系列值來驗(yàn)證電路的操作。效果與模擬該電路數(shù)次相關(guān)，每個(gè)值一次。用戶可以通過選擇起始值、結(jié)束值、要模擬的掃描類型以及“參數(shù)掃描”對話框中的所需增量值來控制參數(shù)值。對元件操作而言，可以在電路上執(zhí)行三種類型的分析：直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析和交流分析。

用戶會發(fā)現(xiàn)某些元件具有的參數(shù)可能多于其他元件。這取決于元件的型號。有源元件(例如運(yùn)算放大器、晶體管、二極管等)將具有比無源元件(例如電阻器、電感器和電容器)

更多的可用于執(zhí)行掃描的參數(shù)。例如，與包含大約15到25個(gè)參數(shù)的二極管模型相比，電感是電感器唯一可用的參數(shù)。

當(dāng)特定元件中的某些參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電路的行為會受到影響。在執(zhí)行分析之前，請檢查電路并確定要掃描的元件和參數(shù)以及用于分析的節(jié)點(diǎn)。

參數(shù)掃描分析按順序繪制適當(dāng)?shù)那€。曲線數(shù)量取決于掃描類型，如下所示：

·線性———曲線數(shù)等于起始值和結(jié)束值之間的差值除以增量步長。

·十進(jìn)制———曲線數(shù)等于在達(dá)到結(jié)束值之前起始值乘以10的次數(shù)。

·倍頻———曲線的數(shù)量等于在達(dá)到結(jié)束值之前起始值可以加倍的次數(shù)。

要設(shè)置分析參數(shù)：

(1)通過從“掃描參數(shù)”下拉列表中選擇參數(shù)類型(設(shè)備或型號)來選擇掃描參數(shù)，然后在“設(shè)備”“名稱”“參數(shù)”字段中輸入信息。參數(shù)的簡要說明顯示在“說明”字段中，參數(shù)的當(dāng)前值顯示在“當(dāng)前值”字段中。

(2)通過從“掃描變化類型”下拉列表中選擇線性、十進(jìn)制或倍頻來設(shè)置掃描變化類型。

(3)從AnalysistoSweep(分析以掃描)下拉列表中選擇要掃描的分析。

(4)如果要掃描列表以外的其他值，請?jiān)凇爸怠弊侄沃墟I入所需的參數(shù)值(以空格分隔)。

(5)(可選)用戶可以通過單擊“編輯分析”來設(shè)置分析參數(shù)?？捎玫姆治鰠?shù)取決于所選的分析。有關(guān)設(shè)置這些參數(shù)的詳細(xì)信息，請參閱本章其他部分的相應(yīng)分析。

2.5.10溫度掃描分析

溫度掃描分析可以通過在不同溫度下模擬電路來快速驗(yàn)證電路的運(yùn)行。效果與模擬電路數(shù)次相關(guān)，每次分析調(diào)整一次溫度。用戶可以通過選擇開始、停止和增量值來控制溫度值。

用戶可以執(zhí)行三種類型的掃描：直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析和交流頻分析。

溫度掃描分析僅影響包含溫度依賴性的元件的模型，例如：

2.5.11傳遞函數(shù)分析

傳遞函數(shù)分析用來計(jì)算電路中輸入信號源和兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)(電壓)或輸出變量(電流)之間的直流小信號傳遞函數(shù)，它還將計(jì)算輸入和輸出電阻。首先根據(jù)直流工作點(diǎn)線性化任何

非線性模型，然后進(jìn)行小信號分析。輸出變量可以是任何節(jié)點(diǎn)電壓，而輸入信號源必須是在電路中某處定義的獨(dú)立源。

DC小信號增益是指輸出相對于DC偏置點(diǎn)(和零頻率)輸入的導(dǎo)數(shù)，即

電路的輸入和輸出電阻是指輸入或輸出處的“動(dòng)態(tài)”或小信號電阻。數(shù)學(xué)上，小信號直流電阻是輸入電壓相對于直流偏置點(diǎn)(和零頻率)輸入電流的導(dǎo)數(shù)。以下是輸入電阻的表達(dá)式：

2.5.12最壞情況分析

最壞情況分析是一種分析方法，可讓用戶探索元件參數(shù)變化對電路性能的最壞影響。Multisim結(jié)合DC或AC分析執(zhí)行最壞情況分析。在任一情況下，首先使用標(biāo)稱值執(zhí)行模擬。接下來，執(zhí)行靈敏度分析(AC或DC分析)以確定指定元件對輸出電壓或電流的靈敏度。最后，使用將在輸出處產(chǎn)生最壞情況值的元件參數(shù)值進(jìn)行模擬。根據(jù)元件對輸出的靈敏度是正值還是負(fù)值，通過從標(biāo)稱值加上或減去公差值來確定最壞情況參數(shù)。

1.最壞情況分析———直流分析

選擇DC分析后，將執(zhí)行以下計(jì)算：

(1)計(jì)算直流靈敏度。如果輸出電壓相對于特定分量的DC靈敏度被確定為負(fù)數(shù)，則計(jì)算該分量的最小值。例如，如果電阻器R1的直流靈敏度為-1.23V/Ω，則最小值來自以下公式：

其中，R1min=電阻器R1的最小值，Tolerance=用戶指定的容差(容差是絕對值，或標(biāo)稱值的百分比)，R1nom=電阻器R1的標(biāo)稱值。

如果輸出電壓相對于特定分量的DC靈敏度被確定為正數(shù)，則計(jì)算該分量的最大值。例如，具有正靈敏度的電阻器將根據(jù)以下公式確定：

其中，R2max=電阻器R2的最大值，Tolerance=用戶指定的容差，表示為1的分?jǐn)?shù)，R2nom

=電阻器R2的標(biāo)稱值。

(2)根據(jù)靈敏度分析的符號，使用標(biāo)稱值和電阻的最小值或最大值來執(zhí)行DC分析。

2.最壞情況分析———交流分析

選擇AC分析后，將執(zhí)行以下計(jì)算：

(1)計(jì)算交流靈敏度，用于確定元件對輸出電壓的靈敏度。

(2)根據(jù)靈敏度，計(jì)算所選組分的最小值或最大值。

(3)使用上述計(jì)算的組分值進(jìn)行AC分析。

2.5.13極零點(diǎn)分析

極零點(diǎn)分析用于通過計(jì)算電路傳遞函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)來確定電子電路的穩(wěn)定性。

使用傳遞函數(shù)公式是一種表示頻域中模擬電路行為的便捷方式。傳遞函數(shù)是輸出信號與輸入信號的拉普拉斯變換比。輸出信號的拉普拉斯變換通常被稱為VO(s)，輸入信號的拉普拉斯變換被稱為VI(s)。參數(shù)s用s=jω表示，更通常地，s=j2πf。

傳遞函數(shù)通常是由幅度響應(yīng)(或傳輸)和相位響應(yīng)給出的復(fù)數(shù)值。電路的傳遞函數(shù)可用下式表示：

上式的分子包含函數(shù)的零點(diǎn)(-z1，-z2，-z3，-z4…)，而函數(shù)的分母包含函數(shù)的極點(diǎn)(-p1，-p2，-p3，-p4…)。

函數(shù)的零點(diǎn)是傳輸為零的那些頻率，而函數(shù)的極點(diǎn)是定義固有頻率的網(wǎng)絡(luò)的自然模式。極點(diǎn)和零點(diǎn)都可以包含實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)或純虛數(shù)。

從傳遞函數(shù)公式確定極點(diǎn)和零點(diǎn)將允許設(shè)計(jì)者預(yù)測電路設(shè)計(jì)在操作中的性能。由于極點(diǎn)和零值是數(shù)值(實(shí)數(shù)或虛數(shù))，因此了解這些數(shù)字與電路穩(wěn)定性的關(guān)系非常重要。具體關(guān)

系如圖2.19所示，了解不同的極點(diǎn)是如何影響電路穩(wěn)定性，從而響應(yīng)步進(jìn)脈沖的。

圖2.19是極點(diǎn)或零值

2.5.14蒙特卡羅分析

蒙特卡羅分析是一種統(tǒng)計(jì)技術(shù)，可讓用戶更改元件屬性，從而研究其如何影響電路性能。蒙特卡羅分析可執(zhí)行DC、AC或瞬態(tài)分析并改變元件屬性。執(zhí)行多次模擬(也稱為運(yùn)

行)，每次運(yùn)行的元件參數(shù)，根據(jù)用戶指定的分布類型和參數(shù)容差隨機(jī)變化。

對于第一次模擬，始終使用標(biāo)稱值執(zhí)行，對于其余的(第一次以后的)模擬，將delta值隨機(jī)地添加到標(biāo)稱值或從標(biāo)稱值中減去。該delta值可以是標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)內(nèi)的任何數(shù)字。添加特定增量值的概率取決于概率分布?？捎玫膬煞N概率分布是：

·統(tǒng)一分布(也稱為扁平分布)

·高斯分布(也稱為正態(tài)分布)

2.5.15跟蹤寬度分析

跟蹤寬度分析通過計(jì)算電路中所需的最小走線寬度，以處理任何走線/線路的RMS電流。RMS電流源自仿真。

通過走線跡線的電流會導(dǎo)致跡線的溫度增加。功率公式為P=I2R，因此該公式表明功率(以溫度來說明)相對于電流不是簡單的線性關(guān)系。跡線的電阻(每單位長度)是其橫截面積(寬度乘以厚度)的函數(shù)。因此，溫度與電流、跡線寬度和跡線厚度之間呈非線性關(guān)系。跡線散熱的能力是其表面積或?qū)挾?每單位長度)的函數(shù)。

PCB布局技術(shù)限制了用于電線的銅的厚度。該厚度與標(biāo)稱重量有關(guān)，標(biāo)稱重量以表格的形式以oz/ft2表示。

2.5.16射頻分析

Multisim包括以下射頻分析(RF分析):

(1)射頻特性分析———幫助設(shè)計(jì)