Multisim仿真中的相位差测量

2 0 0 9 正 第1 1 期 仪表技术与传感器 I n s t r u m e n t T e c h n i q u ea n d S e n s o r 2 0 0 9 N o 1 l M u l t i s i m 仿真中的相位差测量 郝宁眉 刘广孚 中国石油大学 华东 信息与控制工程学院 山东东营2 5 7 0 6 1 摘要 M u h i s i m 是一款很好的仿真软件 但是它在进行相位差测量时不能直接读数 为解决这一问题 提出了一种由 测量放大器与波特图仪构建的测量电路 详细介绍了该测量电路的结构 工作原理及参数设置 通过实例电路的仿真测 量 说明了测量方法及测量误差 测量结果表明该测量电路在M u h i s i m 中可完成对正弦电路中任意电压的相位差测量并 直接显示 测量精度高 关键词 M u h i s i m 仿真分析 相位差测量 电压测量 测量放大器 波特图仪 中图分类号 T P 2 1 2文献标识码 A文章编号 1 0 0 2 1 8 4 1 2 0 0 9 1 1 0 0 4 6 0 3 P h a s eD e f e r e n c eM e a s u r e m e n ti nM u l t i s i m H A ON i n g m e i L I UG u a n g f u C o U e g eo fI n f o r m a t i o na n dC o n t r o l l i n gE n g i n e e r i n g C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m E a s tC h i n a D o n g y i n g2 5 7 0 6 1 C h i n a A b s t r a c t M u h i s i mi sag o o ds i m u l a t i o ns o f t w a r e b u ti tc a n n o ts h o wt h ep h a s ed i f f e r e n c ed f r e c t l y I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m am e a s u r i n gc i r c u i t w h i c hW a sc o m p o s e do fi n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e ra n dB o r dd i a g r a mi n s t r u m e n t w a sp u tf o r w a r d T h e s t r u c t u r e p r i n c i p l ea n dp a r a m e t e r so ft h ec i r c u i tw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l B yt h es i m u l a t i n gm e a s u r e m e n to ft h ee x a m p l ec i r c u i t t h em e a s u r e m e n tm e t h o da n dm e a s u r e m e n te r r o rw e r ed e s c r i b e d T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep h a s ed i f f e r e n c eo fa n ys i n u s o i d a l v o l t a g ec a nb em e a s u r e da n ds h o w e dd i r e c t l yw i t hh i s ha c c u r a c yb yt h ec i r c u i t K e yw o r d M u h i s i m s i m u l a t i o na n a l y s i s p h a s ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n t v o l t a g em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n ta m p l i f i e r B o r dd i a g r a mi n s t r u m e n t 0 引言 E D A 技术在教学 科研 产品设计与制造等各方面都发挥 着巨大作用 M u h i s i m 是一款功能强大的模拟与数字电路混合 仿真软件 被广泛用于电子电路的仿真分析与设计 相位差是 关于正弦稳态电路分析研究中一个非常重要的参数 是比较2 个同频率正弦信号之间相位关系的唯一指标 在M u h i s i m 中 相位差的测量通常是借助于示波器测量显示的 如图1 所示 即用双踪示波器测量2 个正弦信号初相位所对应的时间差 r 根据正弦信号一个周期r 所对应的相位角度为3 6 0 的关 系 由式 1 计算而得 这种测量方式有2 个缺点 一是不直 收稿日期 2 0 0 9 0 4 2 2 9 驴1 一妒2 专 3 6 0 1 J 观 即不能直接读出相位差 而是测时间差通过计算转而得 知 测量误差较大 二是不便捷 由于示波器连接到电路时需 要与电路 共地 故只能测量电路中的电位信号 而不可测量 任意两点间的电压信号 这对分析研究正弦稳态电路造成较大 的困难 文中提出了一种在M u h i s i m 中方便快捷的测量相位差的 测量电路 该测量电路可测量电路中任意两点间的电压信号 并可将其电位差及两点间的相位差直接显示出来 图1用双踪示波器测量2 个正弦信号的相位差 1 相位差测量电路的结构及工作原理 相位差测量的电路结构框图如图2 所示 相位差测量电路 万方数据 第1 1 期郝宁眉等 M u l t i s i m 仿真中的相位差测量 4 7 由测量放大器和波特图仪组成 图2 相位测量的电路结构框图 1 1 测量放大器的结构 工作原理与参数设置 测量放大器由输入电路和差动放大电路组成 内部电路如 图3 所示 测量放大器的作用是将元件两端的电位 对地 信 号转变为两端电位之差的电压信号 图3 测量放大器的内部电路 1 1 1 测量放大器的结构与工作原理 输入电路由输入电位器R R 们 及运放U U 组成 输 入电位器尺 R 们 是用于扩大测量放大器的输入信号的线性 范围 调节输入电位器R 的比例p 就可方便的改变输入信号 的衰减比例 运放U U 为电压跟随器 用于提高测量放大 器的输入电阻 差动放大电路由U 3 组成 取R 1 l R 1 2 R l R 2 l R 2 2 R 2 P 则 Pi t 2 H 一u 可实现将2 个输入端 对地 的电位信 1 q t l 号 n u 转变为电位差信号 即电压信号 1 1 2 测量放大器参数说明 电路的输入电阻 放大电路的输入电位器R 和尺以在设置 时要选阻值较大一些 可减小测量电路对被测信号的影响 1 共模抑制比 测量放大器的共模抑制比由输入电路的 对称性和差动放大器共同决定 将R 和尺们的调节控制键均 设为A 以便做相同比例的调节 使测量放大器的输入端获得 良好的对称性 此外 应注意实际电路中的差模和共模信号幅 度一般较大 需要考虑到运放对输入信号最大值的承受能力 可通过调节R 和R 的衰减比例使最大输入信号的幅度在允 许范围内 2 频率特性 为了扩大测量放大器的工作频率范围 减 小输出相位移 可将放大器中的运放参数U n i t y g a i n B a n d w i d t h F u 修改为1 5 0M H z 利用M u l t i s i m 中的A CA n a l y s i s 功能 可 测得测量放大器相频特性曲线 如图4 所示 相频特性的读数 指针指示数据如图5 所示 图4 测量放大器相频特性曲线 图5 相频特性的读数指针指示数据 由相频特性曲线可见 当信号频率小于1 0k H z 时 测量放 大器附加相位移 9 0 0 1 0 当信号频率大于1 0 0k H z 时 9 O 1o 可以认为信号频率在0 1 0k H z 内附加相位移 妒一o 将测量放大器在M u l t i s i m 内创建为子电路 启动P l a c e 菜 单中的N e wS u b c i r c u i t 输入子电路名 即可多次调用该子电路 1 2 波特图仪的相位差测量与显示 M u h i s i m 中波特图仪类似于实际的扫频仪 能够测量和显 示电路的幅度频率特性和相位频率特性 可以用于测量一个信 号的电压增益或相位移 在M u l t i s i m 中使用波特图仪仿真时 电路中必须有交流信号源 但其参数对波特图仪的频率分析结 果无影响 即默认频率扫描交流信号源的幅度为1V 初相位为 0 频率为波特图仪设定的扫描范围 借助于波特图仪相频特性的测试功能 可测量出被测电压 信号在指定频率 电路中激励信号的频率 处与扫描信号源 默 认其初相位为0 之间的相位差 通过面板显示窗可显示相位 差的数值 并可显示出相位的超前或滞后关系 2 相位差的测量 2 1 相位差测量 相位测量的示例电路如图6 所示 测量前应对波特图仪 面板参数做必要的设置 波特图仪面板参数选择见图7 M o d e 选P h a s e 即显示相频特性 H o r i z o n t a l 选L i n 选扫描频率的范 围满足 初值 号 F 终值 且让 初值 和F 终值 尽 量接近如号 可有效提高读数精度 V e r t i c a l 选L i n 一般为在 一1 8 0 1 8 0 0 C o n t r o l s 下 在S e t 中将R e s o l u t i o n P o i n t s 设置为 万方数据 I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o rN o v 2 0 0 9 最大即1 0 0 0 可提高读数精度 测量时将波特图仪显示窗中读数指针移至信号频率处 显 示窗下显示所测电压与扫描信号源之间的相位差值 也可以从 基本工具栏的图形记录仪中读取数据 从而实现了相位差的直 接测量和显示 记录仪中的频率特性曲线如图8 所示 读数指 针指示数据如图9 所示 X B P l 图6 相位差测量的示例电路 图7 波特图仪面板参数选择及指针示数 9 8 o o9 9 4 0l O O 踟1 0 2 2 0 H z 图8 记录仪中的频率特性曲线 2 2 测量误差及分析 在图6 的测量示例电路中 电感电压相量及相位角 电阻 电压相量及相位角可由下列各公式计算 r r 吼 二生 x j t o L 2 R j t o 卜焘 吣码l f f S R R J 础一寺 吖一睾 3 4 图9 频率特性中读数指针指示数据 舻一宰1 a r c t g 5 妒R 一 产 在不同频率 t O 2 们下电感电压相位妒 及电阻电压相 位妒 的测量值与理论计算值如表1 和表2 所示 并比较之 表1 电感电压相位 p 表1 表2 中的数据表明相位差测量电路在1 0 1 0 0k H z 的频率范围内测量的绝对误差小于0 1 实际上该相位测量 电路最高测量频率仅受限于运放的高频特性 即运放电路的附 加相位移 妒 3 结论 仿真实验结果表明 文中所设计的相位差测量电路在1 0 1 0 0k H z 的频率范围内可实现对任意正弦电压的相位差进行测 量 并且能显示出被测电压与扫描源电压之间相位的超前或滞 后关系 测量的绝对误差小于0 1 在绝大多数电路分析研究 中 可以满足钡0 量要求 很好地解决了M u h i s i m 软件中不能测 量相位差和电压的问题 参考