电路分析的研究仿真与实践

2005届西北师范大学物理与电子工程学院毕业论文电路分析的研究仿真与实践姓名：张 焘 指导老师：裴东 王全洲（2005届电子信息工程（计算机技术）丙班 学号 :200172020341）摘要：进入21世纪，随着计算机科学技术的发展，电路的仿真设计在教学以及生活中的应用越来越广泛。本文基于电路设计及仿真软件Multisim2001对电子课程基本电路进行仿真。Multisim2001作为优秀电子设计自动化（EDA）软件，是Electronics Workbench（EWB）公司以Windows为基础的板级仿真工具，提供了电路的多种仿真分析方法；还介绍了运行环境，虚拟仿真仪器基本操作方法，基本仿真分析方法。最后对虚拟实验设备使用方法及仿真分析方法进行实例介绍。关键词：Multisim2001 仿真分析 实际应用Abstract: Enter 21 centuries,along with technical development in science in calculator, the electric circuit really imitate the application designing in teaching and life is more and more extensive.This text according to electric circuit design and imitate true software Multisim2001 to basic electric circuit in course in electronics proceed really imitate.Excellent electronics in conduct and actions in Multisim2001 design automation( EDA) software, is a variety that Electronics Workbench( EWB) company regard Windows as the basal plank class imitate the true tool, providing the electric circuit to imitate the true analysis method;Still introduced the movement environment, the conjecture imitates the true basic operation method in instrument, basic imitate the true analysis method.Experiment the equipments operation method and imitate the true analysis to the conjecture finally the method proceed the solid an introduction.Keywords:Multisim2001 Imitate the true analysis Actual application引言人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。传统的手工设计电子电路，一般是根据经验和成熟的电路数据来预定电路参数，采用简化的电路和器件模型估算电路特性，通过搭建实验电路加以验证，这种方法费用高、效率低。随着EDA技术的发展，某些特殊类型的电路可以通过计算机来完成电路设计，可以大大减轻方案验证阶段的工作量，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数，采用仿真软件能满足整个产品设计及验证过程的自动化。Multisim作为优秀电子设计自动化（EDA）软件的出现，是Electronics Workbench（EWB）公司以Windows为基础的板级仿真工具。Multisim，Ultiboard，Ultiroute及Commsim是现今EWB的基本组成部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程，这些模块彼此相互独立，可以单独使用。目前，这4个EWB模块中最具特色的首推EWB仿真模块Multisim.针对不同的用户需要，Multisim2001发行了多个版本分为增强专业版(PowerProfessional),专业版(Professional)，个人版(Personal),教学版(Education)，学生版(Student)和演示版(Demo)。目前我国用户所使用的Multisim2001以教育版为主；这种仿真实验是在计算机上虚拟出一个元器件种类齐备、先进的电子工作台，一方面可以克服实验室各种条件的限制；另一方面又可以针对不同目的（验证、测试、设计、纠错和创新等）进行训练，培养学生分析、应用和创新的能力。Multisim2001提供有16000多个高品质的模拟、数字元器件和RF组件模型，除此之外，用户还可以自行编辑和设计相应的元器件。它不但提供了电路的多种仿真分析方法：直流扫描分析，参数扫描分析，交流频率特性分析，瞬态分析，傅立叶分析，后处理器功能等等，而且提供了两个仪表（直流电压表，直流电流表）和多台仪器（数字万用表，函数信号发生器，功率表，示波器，扫频仪，数字信号发生器，逻辑分析仪和逻辑转换仪）。下文介绍的是电路级仿真，电路级仿真必须有元器件模型库的支持，仿真信号和输出的波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器，通过仿真分析，主要是检验设计方案在功能方面的正确性。一Multisim2001简介1.1Multisim2001的仿真功能(1)仿真环境直观，操作界面简洁明了，操作方便。(2)增强专业版的仿真库提供近16000个仿真元件，分别有实际元件和虚拟元件，其中实际元件的基本参数完全和实际产品一致，虚拟元件的参数可以方便的更改。(3)提供大量的激励源（信号源）和数学模型元件，方便各种分析的需要。(4)提供各种能发亮的指示元件和发声元件，可用键盘控制电路中的开关、电位器调节、电感器调节和电容器调节，使仿真过程更为形象。(5)提供各种常用的仪器仪表，增加仿真结果的直观度，并允许多个仪表同时调用和重复调用，且具有存储功能。(6)提供了射频元件，可以进行射频电路的仿真，许多软件不具备这项功能。(7)提供了机电元件，可以进行自动控制电路的仿真，这也是许多软件所不具备的。(8)除了仪表仿真方式以外，还具有波形仿真的方式，和Protel99SE类似。1.2Multisim2001的优点Multisim2001（前身EWB）最突出的特点是用户界面友好，尤其是其直观的虚拟仪表是Multisim2001的一大特色。其包含的虚拟仪表有：示波器、万用表、函数发生器、波特图图示仪、失真度分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪、网络分析仪等。而通常一个普通实验室是无法完全提供这些设备的。这些仪器的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。(1)系统高度集成、界面直观、操作方便。Multisim2001将原理图的创建，电路的测试分析和结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中，整个操作界面就像一个实验工作台，有存放仿真件箱，有存放测试仪表的仪器库，还有进行仿真分析的各种操作命令。测试仪表和一些仿真件的外形与实物非常接近，操作方法也基本相同，因而该软件易用。(2)具有数字，模拟及数字/模拟混合电路的仿真能力。在电路窗口中既可以分别对数字或模拟电路进行仿真，也可以将数字和模拟电路连在一起进行仿真分析。(3)电路分析手段完备。提供了电路的直流工作点分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声和失真分析等15种常用的电路仿真分析方法。这些分析方法基本能满足一般电子电路的分析设计要求。(4)提供多种输入输出接口。Multisim2001可以输入由PSPECE等其他电路仿真软件所创建的SPICE网表文件，并自动形成相应的电路原理图；也可以把EWB 环境下创建的电路图文件输出给PROTEL等常见的PCB软件进行印刷设计。为了拓宽EWB软件的PCB功能，IIT也推出了自已的PCB软件ELECTRONICS WORKENCH LAYOUT，可使EWB电路图文件更直接方便地转换成PCB。正因为如此，EWB一经推出即受到广大电路设计人员的喜爱，特别是在教育领域得到了更广泛的应用。(5)提供射频电路仿真功能。 (6)使用灵活方便。在Multisim2001中，与现实元件对应的元件模型丰富，增强了仿真电路的实用性。元件编辑器给用户提供了自行创建修改所需元件模型的工具。元件之间的连接方式灵活，允许连线任意走向，允许把电路当成一个元器件使用，从而增大了电路的仿真规模。另外根据电路图形的大小，程序能自动调整电路窗口尺寸，不再需要人为设置。专业版的Multisim2001除了具有上面提到的优点和功能外，还支持VHDL和VERILOG语言电路仿真与设计。1.3Multisim2001的不足首先，作为电子线路设计自动化（EDA）软件的MultiSim是对一个电路的实时仿真，但却缺乏课堂教学所需要的节拍和分析。第二，MultiSim并没有建立一个简化的教学模型，而是采用一般性的方法对电路进行分析。它对整个电路作出通盘的分析，对于强调重点突出的课堂教学来说，过分全面和细致的考虑有时反而导致响应过慢和重点不突出的缺陷。从对三相不对称电路的仿真分析例子可以看到。为了进一步在课堂教学中实施仿真教学以及对非电子线路的教学内容进行仿真实验，还需要进行一些开发性的工作。二Multisim2001基础知识2.1Multisim2001窗口界面从开始菜单程序项中运行Multisim2001主程序后，在计算机显示器上出现它的基本界面，如图2.1：电路窗口仪表工具栏设计工具栏元件工具栏图2.1Multisim2001窗口界面由图2.1可以看到，在窗口界面中主要包含了以下几个部分：菜单栏（Menus），系统工具栏（System），元（器）件库（ComponentBars），仪表工具栏（InstrumentsToolbar），设计工具栏（MultisimDesignBars），主操作窗口（CircuitWindow）等。2.2器件分类库它含有14个元(器)件分类库(即COMPONENTTOOLBAR)，由这14个元(器)件分类库组成元(器)件工具库简称元(器)件库，通常以铵钮形式在工作窗口左边，但也可以任意移动。每个元(器)分类库中又含有330个元件箱(又称之为FAMILY)，各种仿真元件分门别类地放在这些元件箱中供用户随意调用；电源库中共有30个电源器，有功率电源，各式各样的信号源、受控源以及1个模拟接地端和1个数字电路接地端；Multisim把电源类的器件全部作虚拟器件，因而不能使用Multisim中的元件编辑工具对其模型及符号等进行修改或重新创建，只能通过自身的属性对话框对其相关参数进行设置；基本元件库中包含现实元件箱18个，虚拟元件箱7个，虚拟元件箱中的元件不需要选择，而是直接调用，然后再通过其属性对话框设置其参数值；二极管库中包含10个元件箱；Multisim元件库中虽然存有成千上万个仿真器件，但用户的需要是名种各样的，因此不可能满足每个用户的要求。如果用户在进行一个仿真时少一个或几个仿真元件，可以真接利用Multisim所提供的元件编辑工具，对现有的元件模型进行编辑修改，或创建一个新元件。模拟器件Multisim为有源和无源器件提供广泛的模拟SPICE模型库，包括二极管、三极管以及运算放大器。每个模型都有一定的质量和精度要求。例如BJT模型包括了它所反映的全部SPICE3F5GummelPoon等效模型。诸如分压器、电容、电感和开关等可变元件，能够在仿真过程中以交互方式调节，以便立刻观察到这些改变所引起的电路效果。诸如积分器和累加器等函数模块，使用在原理图中以设计控制系统。数字器件在数字仿真中有两种模型可供选择：使用理想化元件以得到更快的仿真结果或者使用实际模型以得到更准确的结果。理解元件说明了传递延时的原因，但是它们有无穷大的扇出值。如果你需要更快的仿真并且设计电路并不依赖于数字元件的详细性能，那么选择理想模型。如果你需要实际情况的波形来说明采用LS或HC元件的设计电路响应如何，则选择实际情况模型。除了为200个数字元件和集成电路具体指定TTL型或CMOS型之外，从等级、集电极开路或者从缓冲器变化中作出选择。每个选择指定高电平、低电平和阈值电压以及上升和下降传递延时。你能够根据你的仿真需要为一个或所有的元件专门设置这些选项。混合元件在Multisim中任何模拟或数字元件都能直接与其它元件想连接，所以可以很方便地建立混合信号电路。这个软件在模拟和数字信号之间自动产生接口。但是因为许多设计需要混合信号集成电路，Multisim还提供了一个混合元件的特别选择，包括模/数转换器、数/模转换器(电流和电压两种)、单稳态多谐振荡器和555定时器。2.3虚拟仿真仪器Multisim2001的Instruments(仪器库)中共有11种虚拟仪器：Multimentent(数字万用表)，FunctionGenerator（函数发生器)，Wattmeter(瓦特表)，Oscilloscope(示波器)，Bodeplotter(波特图仪)，WordGenerator(字信号发声器)，LogicAnalyzer(逻辑分析仪)，Logicconverter(逻辑转换仪)，Distortionanalyzer(失真分析仪)，SpectrumAnalyzer(频谱分析仪)和NetworkAnalyzer (网络分析仪)。常用仪器如下：示波器这个仿真的双通道示波器就如同真实的示波器一样。它支持内部或外部的上升沿或下降沿的的触发，并且时基可以从秒(s)到纳秒(ns)进行调节。甚至可以在坐标轴上随意绘制信号的幅值来研究它。为了测量精确的结果，这个增强的示波器允许你滚动时间轴，在你感兴趣的时间处用十字准线来电压的数值，也能把示波器上的波形以ASCII文件格式存储起来。函数发生器 函数发生可以产生方波、三角波或正弦波。且可以控制信号的频率(从1Hz到999MHz)、占空比、幅值和直流偏置等。万用表这个自动化的万用表可以测量电流、电压、电阻和损耗。可以选择测量信号的直流或交流部分。字符发生器灵活的字符发生器使它可以成为通用的激励源编辑器，可以驱动电路产生多达32K16位的字符串，它能被定义在某一时刻产生单个字、使用用户自己定义的一组数据或者按照你指定的频率循环变化。在字信号编辑区，字信号以4位16进制数编辑和存放。EWB5.0可以存放1024条字信号，编辑区的内容可通过滚动条前后移动。用鼠标单击可以定位和插入需编辑的位置，然后输入16进制数码。还可在面板下部的二进制字信号输入区输入二进制码。在地址编辑区可以编辑或显示与字信号地址有关的信号。把鼠标指针移到左边地址编辑区中要改变值的位置，在这可以输入09或A、B、C、D、E、F，在二进制信号编辑区中即可显示出输入的十六进制数对应的二进制数，输入：0223的十六进制数，二进制字信号编辑区中即显示“0000001000100011”，同时在字信号地址编辑区的“Edet”中显示出该十六进制数的地址“000B”。字信号的输出方式有三种：Step（单步）:每单击一次“Step”，则字信号输出一条，字信号编辑区中的地址下移一行，此方式可用于对电路进行单步调试。Burst（单帧）：每按一次“Burst”，则从首地址开始至末地址连续逐条输出字信号。 Circle（循环）：按“Circle”，则从首地址至尾地址循环不断的输出。选中某地址信号后，按“Breakpoint”则该地址被设置成中断点。“Burst”输出时，运行至该地址输出暂停。再单击“Pause”或按“F9”恢复输出。字信号的触发方式：当选择“Internal（内）”触发方式时，字信号的输出直接由输出方式按钮（“Step”、“Burst”和“Circle”）启动。当选择“External(外)”触发方式时，则需接入外触发脉冲信号，再定义“上升沿触发”或“下降沿触发”，单击输出方式按钮，待触发脉冲到来时才启动输出。此外，在“数据准备好输出端”还可得到与输出信号同步的时钟脉冲输出。按下“Pattern方式”按钮弹出对话框。其中前三个选项为清除、打开、存盘，用于对编辑区的字信号进行相应的操作。字信号存盘后文件扩展名为“.DP”。而后四个项目用于在编辑区生成按一定规律排列的字信号。你可以使用标准的文本编辑器将数据输入字符发生器，并且设置段点，以解释和分析电路工作状态。数据可以以ASCII字符、二进制或十六进制显示。一个数据准备指示器让你知道你的数据已被排列在数据总线上，并且它采用外部触发以保证时钟同步。字符发生器有各种你能装载的预存的模式，例如加法计数器和右移位器等，或者你也可以定义自己的模式。逻辑分析仪这个16通道逻辑分析仪提供图形模式和十六进制的显示。它支持内部或外部的上升沿或下降沿触发，它还可以通过预先定义的位模式来触发。 2.4基本仿真分析方法Multisim2001提供了18种基本仿真分析方法。启动Simulate菜单中的Analysis命令，或点击设计工具栏中的按钮，即从上至下分析法分别为直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极零点分析、传递函数分析、最坏情况分析、蒙特卡分析、批处理分析、自定义分析、噪声图形分析和RF分析，如此多的仿真分析是其它电路所不能比拟的。(1)真流工作分析(DC OPERAEINGPOINTANALYSIS)主要用来计算电路的静态工作点.进行直流工作点分析时，Multisim自动将电路分析条件设为电感短，电容开路，交流电压源短路。(2)交流分析(AC ANALYSIS)可以对模拟电路进行交流频率响应分析，即获得模拟电路的幅度频率响应和相位频率响应。在对交流信号进行分析，要求直流电压源短路。进行交流分析前，Multisim2001会自动进行直流工作点分析，以获得交流分析时线性元件的线性化小信号模型，而且在交流分析中，所有输入源都被认为是正弦信号，如果信号发生器设置为方波或三角波，它也将被自动转换为正弦波。(3)瞬态分析是一种非线性时域分析方法，可以分析在激励信号作用下电路的时域响应。通常分为节点电压波形作为瞬态分析的结果。因此，瞬态分析的结果同样可以帮示波器观察到。(4)直流扫描分析（DC SWEEP）是计算机电路中直流工作点随电路中的一个或两个直流电压源变化的情况。利用直流扫描分析，可以快速地根据直流电源的变动范围来确定电路的直流工作点。(5)参数扫描分析（PARAMETER SWEEP ANALYSIS）法是通过对电路中某些元件的参数在一定取值范围内变化时，对电路直流工作点、瞬态特性、交流频率特性的影响进行分析，以便对电路的某些指标进行优化。(6)温度扫描分析研究温度变化对电路性能的影响，由于许多元件的参数、特性与温度有关，所以，当温度变化时，电路的性能也会发生一些变化。三Multisim在电子仿真中的实例课程教学中应用Multisim进行电路实验的方法和一些实例。通过这些例子，我们可以看到Multisim电子课程教学中的广阔前景，其方便的更改电路和元件参数的能力，使我们得以很好的了解电子电路的各种性质。这不失为一种很好的理论联系实际的教学方法，也是一种对学生实际能力培养的有效工具。3.1欧姆定律：欧姆定律的数学表达式：U=RI欧姆定律也可表示为I=U/R，这个关系式说明当电压一定时电流与电阻值成反比，因此电阻值越大则流过的电流就越小。如果把流过电阻元件的电流当成电阻两端电压的函数，画出UI特性曲线，便可确定电阻元件是线性的还是非线性的。如果画出的特性曲线是一条直线，则电阻是线性的；否则就是非线性的。U （v）4681012I (mA)0.40.60.81.01.2由上表计算结果可得出：R=10K 画出的特性曲线是一条直线，电阻是线性的。图3.1 功率计算公式：P=UI由上述公式可以得出，测试结果与理论计算具有一致性。3.2RLC串联阻抗实验电路交流电路的阻抗Z满足欧姆定律。所以用阻抗两端的交流电压有效值UZ除以交流有效值Iz可算出阻抗（单位：）：Z=UZ/IZ在图3.2中RL串联电路的阻抗Z为电阻R和感抗XL的向量和。因此阻抗的大小为：Z= 图3.2阻抗两端的电压UZ和电流IZ之间的相位差可由下式求出：=arctan(XL/R)在图3.2中RC串联电路的阻抗Z为电阻R和容抗XC的向量和。因此阻抗大小为：Z= C阻抗两端的电压和电流之间的相位差可由下式求出：=-arctan(X/R)当电压落后于电流时，相位差为负。在图3.2中RLC串联电路的阻抗Z为电阻R和电感与电容总阻抗X的向量和。因为感抗和容抗之间有1800的相位差，所以总阻抗X为：X=XLXC这样，RLC串联电路的阻抗大小可用下式求出：Z=R2+X2阻抗两端的电压UZ和电流IZ之间的相位差可由下式求出：=arctan(X/R)在RLC串联交流电路中，只有一个信号频率可以使得XL与XC相等。在这个频率上，总阻抗为零（XLXC=0），电路阻抗为电阻性，而且达到最小值。3.3 555多谐振荡器3.3.1 555定时器的工作原理555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则V0=0；正常工作时4接为高电平。5脚为控制端，平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。图3.3.3555定时器内部框图 图3.3.3555定时器引脚排列图3.3.1555定时器原理图及引线排列图功能表如下：3.3.2 555的工作过程（1）TH端的电位高于基准比较电压V1时当TH端的输入电压大于基准比较电压Vl=23Ec 时，电压比较器A1输出低电平。如果TL端的输入信号电压大于基准比较电压V2=13EC，则电压比较器A2输出高电平。这时，基本RS触发器置0（复位），时机集成电路输出低电平，三极管开关处于导通状态。如果TL端的输入信号电压小于基准比较电压V2=13EC，则电压比较器A2输出低电平。时基集成电路仍然输出低电平，三极管开关仍处于导通状态。（2）TH端的电位低于基准比较电压Vl时当TH端的输入电压小于基准比较电压V1=23Ec时，电压比较器A；输出高电平。如果TL端的输入信号电压大于基准比较电压V2=l3Ec测电压比较器A2输出高电平。这时，基本RS触发器的工作状态不变，时基集成电路的输出状态和三极管开关的工作状态均保持不变。如果TL端的输人信号