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实验实验 1919multisimmultisim 模拟电路仿真实验模拟电路仿真实验 1.实验目的 （1） 学习用 multisim 实现电路仿真分析的主要步骤。 （2） 用 multisim 的仿真手段对电路性能作较深入的研究。 2. 预习内容 对仿真电路需要测量的数据进行理论计算，以便将测量值与理论值进行对照。 3. 实验内容 实验 19-1 基本单管放大电路的仿真研究 射极电流负反馈放大电路如图 19.1 所示，仿真电路如图 19.2 所示。单击三极管图符， 从出现的对话框中的 edit model 选项中改变三极管的电流放大系数（bf）为 60。 图 19.1 实验 19-1 电路图 （1） 调节 rw使 ve= 1.2v。 （2） 用“直流工作点分析”功能进行直流工作点分析，测量静态工作点，并与估算值 比较。 （3） 用示波器观测输入、输出电压波形的幅度和相位关系，并测量电压放大倍数， 与 估算值比较。 （4） 用波特图仪观测幅频特性和相频特性， 并测量电压放大倍数和带宽（测出下限截 止频率和上限截止频率即可） 。 （5） 用“交流分析”功能测量幅频特性和相频特性。 （6） 加大输入信号幅度， 观测输入电压波形何时会出现失真， 并用失真度分析仪测量 输出信号的失真度。 （7） 设计测量输入电阻、 输出电阻的测量方法并测量之。 （提示： 测输入电阻采用 “加 压求流法” ，测输出电阻采用改变负载电阻测输出电压进而估算输出电阻的方法，即 ro= l ol oo r1 u u 。式中，uoo是输出端空载时的输出电压，uol是接入负载 rl时的输出电 压。输入信号频率选用 1000hz） 。 （8） 将 re1去掉，将 re2的值改为 1.2k，即静态工作点不变，重测电压放大倍数、 上下限截止频率和输入电阻进行列表对比，说明 re1对这三个参数的影响。 实验 19-2 有源滤波器仿真 1） 低通滤波器 输入如图 19.3 所示的二阶低通滤波器电路。用波特图示仪观察电路的幅频特性和相频 特性，测量通带电压放大倍数和截止频率。再利用“交流分析”重测通带电压放大倍数和截 止频率。将两种测量方法获得的数据和理论值进行比较。 图 19.3 二阶低通滤波器电路图 2） 高通滤波器 输入电路图如图 19.4 所示。观察幅频特性和相频特性，测量通带电压放大倍数和截止 频率，并与理论值比较。 图 19.4 二阶高通滤波器电路图 3） 双 t 带阻滤波器 输入电路图如图 19.5 所示，写出此电路的传递函数及幅频特性函数。选择中心频率 f0 为 40100hz 之间的一个值，确定电阻、电容的参数并进行仿真实验，观察幅频特性，测 f0， 测 f0处的输出幅度，测上下限截止频率及带宽。 图 19.5 双 t 带阻滤波器电路图 实验 19-3 正弦波振荡器仿真 （1）图 19.6（a）所示文氏桥电路中心频率 f0从 2002000hz 之间任选一个值，并确定 r 和 c 的参数。就选定的参数用 multisim 软件进行仿真，测 f0、f0处的 uo/ui以及 uo与 ui 的相位差，并得出结论。 （2）用选定的参数构成如图 19.6（b）所示的文氏桥正弦波发生器并仿真，调节 r3使 其起振，观测输出电压从起振到稳定一段时间的波形，并测量输出波形的频率及最大幅度。 测量 r3调节到多大时输出会发生饱和失真（正负半周均产生饱和失真） 。 （a） （b） 图 19.6 文氏桥电路和文氏桥正弦波发生器电路图 4.实验数据分析和总结 实验 19-1 基本单管放大电路的仿真研究 （2） “直流工作点分析” 测量静态工作点如图 19.7，其中 ic= i(rc) = 0.9863ma,uce= v(4)-v(3) = 7.54514v。ibe=300 +（1+60） 1 26 =1886=1.886k 图 19.7 直流工作点分析结果 估算得到的ic= 1 61 60 = 0.9836ma,uce= vcc-icrc-ie(re1+re2) = 7.5541v, ic的相对偏差 =（0.9863-0.9836）/0.9836=0.3%,uce的相对偏差=（7.5541-7.54514）/7.5541=0.1%， 可以看出直流工作点分析得到的静态工作点的值和估算值基本上相同。 （3）示波器观察结果如图 19.8,可以看到输出和输入电压反相而且输出电压比输入电压大 很多，电压放大倍数为 au= （-13.840/0.999612）= -13.845，估算的电压放大倍数 au= 1ebe c r）1（i r- = 2.0）601（886.1 3.360- =-14.0565, 相 对 偏 差 = （-13.845+14.0565）/14.0565=1.5% 图 19.8 示波器观测输入输出电压波形的幅度和相位关系 （4）用波特仪观测幅频特性和相频特性如图 19.9 （a） （b） （c） （d） 图 19.9 波特仪观测幅频特性和相频特性 从图 19.9（d）可以看出在 1khz 时,输出电压和输入电压反相，再结合图 19.9（a）可知电压 放大倍数 au=-13.844929/1=-13.844929 从图 19.9（b）和（c）可知，下限截止频率为 fl=17.683hz, 上限截止频率 fh=18.12mhz 带宽f =18.12mhz-17.683hz= 18.120hz （5）“交流分析”测量幅频特性和相频特性如图 19.10 （a） (b) 图 19.10 “交流分析”测量幅频特性和相频特性 从图 19.10（a）可以得到电压放大倍数 au=-13.8449/1=-13.8449 从图 19.10（b）可以得到下限截止频率 fl=17.6833hz,上限截止频率 fh=18.1202m 带宽f=fh- fl= 18.120mhz （6）从图 19.11 可以看出输出电压在输入信号幅度为 150mv 时会出现失真，输出信号的失 真度如图 19.12，失真度为 2.199% 图 19.11 输出电压波形出现失真时的波形图 图 19.12 输出信号的失真度 （7）设计电路测量输入和输出电阻 a)实验中采用“加压求流法”测量输入电阻的电路图如图 19.13 图 19.13 “加压求流法”测输入电阻 （a）（b） 图 19.14 “加压求流法”测输入电阻结果 测量结果如图 19.14（a）和（b）所示，可以算出输入电阻 ri=707.106/104.203 k =6.7859 k b)实验中采用“改变负载电阻测输出电压进而估算输出电阻”的电路图如图 19.15 图 19.15 改变负载电阻测输出电压估算输出电阻 （a）不接负载（b）接入负载 rl=5k 图 19.16 改变负载电阻测输出电压估算输出电阻 根据图 19.16 的结果代入公式得输出电阻 ro=( 957.5 788.9 -1 ) 5k=3.2155k，与理论值 ro=rc=3.30 k非常接近 （8）去掉 re1将 re2改为 1.2 k后的测量结果如图 19.17 和 19.18 所示 （a） （b） （c） 图 19.17 去掉 re1将 re2改为 1. 2k输出电压幅频特性 （a）（b） 图 19.18 “加压求流法”测输入电阻 输出电压和输入电压反相（如图 19.17（a） ）, 测得的电压放大倍数 au=-94.8454/1 = - 94.8454 上限截止频率为 fl=117.4096hz, 下限截止频率为 fh=16.9446mhz,带宽f=fh- fl =16.9445mhz 如图 19.18 所示，计算得输入电阻 ri = 707.106/377.948k=1.8709 k 列表如下： 电压放大倍 数 au 上限截止频 率 fl/hz 下限截止频 率 fh/mhz 通带带宽f /m hz 输入电阻ri/ k 有 re1-13.844917.683318.120218.1206.7859 去掉 re1-94.8452117.409616.944616.94451.8709 结论：电路中加上 re1后，会使电压的放大倍数降低，增大通带带宽和增大输入电阻 ri. 实验 19-2 有源滤波器仿真 1） 低通滤波器 用波特图示仪观察电路的幅频特性和相频特性如图 19.19 （a） （b） （c） 图 19.19 用波特图示仪观察电路的幅频特性和相频特性 从图 19.19（a）和（c）可以看出输出电压和输入电压同相，通带电压放大倍数 au=0.9974322/1=0.9974322 从图 19.19（b）可以看出截止频率 f=101.952hz “交流分析”测通带电压放大倍数和截止频率如图 19.20 图 19.20 “交流分析”测通带电压放大倍数和截止频率 通带电压放大倍数为 au=0.9976829，截止频率 f=102.3791hz 两种测量方法获得的数据与理论值比较如下表： 通带电压放大倍数 au截止频率 f/hz 理论值1102.4312 波特图示仪法0.9974322101.952 交流分析法0.9976829102.3791 结论：波特图示仪法和交流分析法得出的电压放大倍数和截止频率与理论值十分接近， 在低频范围内，电压放大倍数都接近于 1，说明二阶低通滤波器在低频范围可以使输出 电压与输入电压保持一致。 2） 高通滤波器 用交流分析法观察幅频特性和相频特性如图 19.21 （a） （b） （c） （d） 图 19.21 高通滤波器幅频特性和相频特性 由图 19.21（c）可知输出电压与输入电压同相， 由图 19.21（a）可知用波特图示仪测得的通带电压放大倍数为 au=0.99776395 由图 19.21（b）可知用波特图示仪测得的截止频率为 f=247.647hz 由图 19.21（d）可知用交流分析测得的通带电压放大倍数 au=0.997764, 截止频率为 f=248.2171hz 与理论值比较如下表： 通带电压放大倍数 au截止频率 f/hz 理论值1247.2908 波特图示仪法0.99776395247.647 交流分析法0.997764248.2171 结论：用波特图示仪和交流分析法测得的通带电压放大倍数和截止频率与理论值相符， 在高频范围内，通带电压放大倍数接近 1，说明高通滤波器可以在高频范围内使输出电 压和输入电压保持一致。 3） 双 t 带阻滤波器 电路的传递函数为 t（j）= rcjrc rc 41 1 2 2 = rc rc 1 4 j1 1 幅频特性函数为|t（j）| = 2 rc- rc 1 4 1 1 选择 r=3k,c=1f, 则中心频率 fo= rc2 1 =53.05165hz 电路的测量结果如图 19.22 （a） （b） 图 19.22 双 t 带阻滤波器幅频特性曲线 由图 19.22（a）知 fo= 50.1187，fo处的输出幅度为 0.0283759 由图 19.22（b）知上限截止频率为 fh=227.3093hz，下限截止频率 fl=12.5280hz， 带宽f=fh- fl=214.7813hz 可见阻带是很窄的。 实验 19-3 正弦波振荡器仿真 （1）选择 r=16k,c=10nf 进行实验，则中心频率 fo= rc2 1 =994.7184hz 仿真结果如图 19.23 图 19.23 文氏桥电路仿真结果 从图中可以看出 fo=1.0000khz, fo处的 uo/ui=0.3333313 uo 和 ui 的相位差= -0.20227766 结论：仿真实验结果与理论值相符，文氏桥电路在中心频率 fo处的电压放大倍数达到最 大值，为 3 1 ，同时在 fo处，输出电压和输入电压同相。 （2）输出电压从起振到稳定一段时间的波形如图 19.24 （a）起振阶段，时间标度为 1ms/div （b）起振到稳定阶段，时间标度为 20ms/div （c）稳定阶段，时间标度为 500s/div 图 19.24 输出电压从起振到稳定一段时间的波形 结论：起振阶段，输出电压的幅值先缓慢增大，后来迅速增大，最后达到稳定，进入稳定阶 段，此时，输出电压的波形为正弦波，幅值保持不变。 测量输出波形的频率及最大值如图 19.25 图 19.25 文氏桥正弦波发生器输出电压波形 输出波形的频率 f=1/1.010m=990.099hz,与文氏桥的中心频率 fo=994.7184hz 相符 输出波形的最大幅度 u=1.187v。 调节 r3 到 43%50k