《电子线路仿真与设计》-第2章

第２章Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器及仿真分析方法

２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器

２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器虚拟仪器是Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件最具特色的一部分内容。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０软件为用户提供了大量虚拟仪器仪表进行电路仿真测试，电路在仿真时，电路的运行状态与测量结果可以通过虚拟仪器来进行显示。这些虚拟仪器的操作、使用、测量与真实仪器非常类似。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０提供的虚拟仪器主要分为模拟类仪器、数字类仪器、射频仪器、真实仪器。下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器２.１.１模拟虚拟仪器一、数字万用表（Ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ）万用表是一种常用仪器，可以测量交流电流、交流电压、直流电流、直流电压、电阻，其符号和面板如图２.１.３所示。使用时将图标上的“＋”“－”两端连接在所要测量的节点上，使用方法和实际万用表一样，测量电阻和电压时，将万用表与所测元件并联；测电流时，将万用表与所测元件串联。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器二、函数信号发生器函数信号发生器（ＦｕｎｃｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ）可以产生与现实中完全一样的正弦波、三角波和方波，而且波形、频率、幅值、占空比、直流偏置电压均可以调节。三、瓦特表瓦特表（Ｗａｔｔｍｅｔｅｒ）用来测量电路的交流或直流功率，功率大小为电流与电压的乘积。瓦特表还可以测量功率因数，即电压与电流之间的相位差角的余弦值。瓦特表图标及面板如图２.１.９所示。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器四、双通道示波器示波器是常用的仪器，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０提供的双通道示波器面板、操作方法与实际示波器基本相同。该示波器可以观察两路信号波形，可以测量信号的幅值、周期。示波器的图标如图２.１.１１所示，共有４个端口：Ａ通道输入、Ｂ通道输入、外部触发Ｔ和接地端Ｇ。五、四通道示波器四通道示波器与双通道示波器的使用方式完全一致，只是增加了通道控制旋钮，只有旋钮拨到某个通道，对应通道的波形才能显示，这里不再赘述。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器六、伏安分析仪伏安分析仪用于测量二极管、双极型晶体管、场效应管等半导体器件的伏安特性。测量时需要将测量器件与电路完全断开。伏安分析仪图标、测试电路如图２.１.１７所示，伏安分析仪有３个连接端口与器件连接，对于不同的器件连接方式不同，连接方式通过面板可以查到。伏安分析仪面板如图２.１.１８所示，左侧为曲线显示窗口，右侧为设置区，面板参数设置如下。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器七、波特图仪波特图仪（ＢｏｄｅＰｌｏｔｔｅｒ）又称为频率特性仪，主要用于测量滤波电路的频率特性，包括测量电路的幅频特性和相频特性。使用波特图仪测量电路的幅频特性与相频特性时，电路输入端必须有信号源，信号源的类型不会影响测量结果。２.１.２数字虚拟仪器数字逻辑电路中常用的虚拟仪器主要有逻辑转换仪、逻辑分析仪、字信号发生器。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器一、逻辑转换仪逻辑转换仪是Ｍｕｌｔｉｓｉｍ特有的仪器，能够完成数字电路中真值表、逻辑表达式和逻辑电路三者之间的相互转换，但实际中不存在与此对应的设备。逻辑转换仪图标如图２.１.２５所示，共有９个连接端口。二、逻辑分析仪逻辑分析仪用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析，可以同步记录和显示１６路数字信号，常用于数字逻辑电路的时序分析和大型数字系统的故障分析。逻辑分析仪的图标及面板如图２.１.３２所示，由图可知逻辑分析仪图标具有１６路信号输入端、外部时钟端Ｃ、触发限制端Ｔ、时钟限制端Ｑ。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器逻辑分析仪面板分成上下两部分，上半部分为波形显示窗口，下半部分为逻辑分析仪的控制窗口，控制按钮有停止（Ｓｔｏｐ）、复位（Ｒｅｓｅｔ）、面板反相显示（Ｒｅｖｅｒｓｅ）、时钟（Ｃｌｏｃｋ）设置、触发（Ｔｒｉｇｇｅｒ）设置。三、字信号发生器字信号发生器是能产生１６路（位）同步逻辑信号的一个多路逻辑信号源，用于对数字逻辑电路进行测试。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器字信号发生器的图标及面板如图２.１.３５所示，由图可知逻辑分析仪图标左侧有０～１５共１６个端口，图标右侧有１６～３１共１６个端口，这３２个端口是字信号发生器所产生的３２位数字信号的输出端口，底部Ｒ端口为输出信号准备好标志信号，Ｔ端口为外部触发信号输入端。字信号发生器面板左侧为控制区，右侧为字信号编辑显示区。逻辑分析仪面板分成上下两部分，上半部分为波形显示窗口，下半部分为逻辑分析仪的控制窗口，控制按钮有停止（Ｓｔｏｐ）、复位（Ｒｅｓｅｔ）、面板反相显示（Ｒｅｖｅｒｓｅ）、时钟（Ｃｌｏｃｋ）设置、触发（Ｔｒｉｇｇｅｒ）设置。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器２.１.３射频虚拟仪器（频谱分析仪）频谱分析仪用来分析信号的频域特性，测量信号中包含的频率信号的幅值，测量电路中谐波信号成分，测量不同频率信号的功率，频域分析范围上限为４ＧＨｚ。频谱分析仪图标如图２.１.３８所示，其中ＩＮ端为信号输入端，Ｔ端为触发信号输入端。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器２.１.４模拟Ａｇｉｌｅｎｔ、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ仪器在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０的虚拟仪器中，有４台虚拟仪器的面板和实物仪器面板完全一样，分别是：Ａｇｉｌｅｎｔ函数信号发生器（ＡｇｉｌｅｎｔＦｕｎｃｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ）、Ａｇｉｌｅｎｔ万用表（ＡｇｉｌｅｎｔＭｕｌｔｉｍｅｔｅｒ）、Ａｇｉｌｅｎｔ数字示波器（ＡｇｉｌｅｎｔＯｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ）、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ示波器（ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＯｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ）。上一页下一页返回２.１Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０虚拟仪器２.１.５虚拟面包板面包板（ＢｒｅａｄＢｏａｒｄ），也称万用线路板或集成电路实验板，由于板子上有很多小插孔，很像面包中的小孔，因此得名。面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练，在实践教学中具有很重要的作用。上一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０完成电路设计后，需要测量电路的相关参数来确定电路是否达到设计要求。利用虚拟仪器可以测量电路的特征参数，但是在确定电路全面特性方面，虚拟仪器具有一定的局限性，例如，需要了解“电路元件参数变化对电路性能指标的影响”“温度变化对电路的影响”时，利用虚拟仪器测量将十分烦琐，此时Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０的仿真分析方法将发挥重要作用。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０的仿真分析方法包括直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、噪声系数分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点零点分析、传递函数分析、最坏情况分析。下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法选择“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”→“Ａｎａｌｙｓｉｓ”命令可弹出仿真分析菜单，如图２.２.１所示。利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ对电路进行分析包括４个步骤：（１）创建要分析的电路图，对电路进行规则检查确定电路连接无误。（２）基本仿真参数设置，可设置仿真步长、时间、初始条件等，选择“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”→“ＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｅｔｔｉｎｇｓ”命令打开基本仿真参数设置窗口，如图２.２.２所示。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法（３）通过执行“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”→“Ａｎａｌｙｓｉｓ”命令选择仿真分析的类型，对所用仿真分析的选项卡进行合理设置。（３）通过执行“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”→“Ａｎａｌｙｓｉｓ”命令选择仿真分析的类型，对所用仿真分析的选项卡进行合理设置。本节将以同相比例电路为例介绍各类仿真分析方法，同相比例电路如图２.２.４所示。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法２.２.１直流工作点分析直流工作点分析视频直流工作点分析（ＤＣＯｐｅｒａｔｉｎｇＰｏｉｎｔ）也称为静态分析，主要用于确定电路的静态工作点，只有放大电路的静态工作点合适，电路才能不失真地放大小信号，因此直流工作点分析是为后续分析做准备的。选择“ＤＣＯｐｅｒａｔｉｎｇＰｏｉｎｔ”命令后，弹出直流工作点分析设置对话框，如图２.２.５所示，只需在“Ｏｕｔｐｕｔ”选项卡中的左侧备选栏中选择要分析的电路节点和变量，将其添加到右边分析栏中，然后单击“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”按钮就可以完成直流工作点分析。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法利用直流工作点分析测量同相比例电路反相端和输出端的直流电位，将节点２及节点６添加到分析栏中，仿真结果如图２.２.６所示。关于直流工作点分析的详细分析过程见４.１.１节。２.２.２交流分析交流分析（ＡＣＡｎａｌｙｓｉｓ）用于确定电路的幅频特性和相频特性，无论用户为电路输入何种信号，系统都默认输入的信号为正弦波。交流分析中，系统将直流电源置零，电容和电感采用交流模型，非线性器件采用小信号模型。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法选择“ＡＣＡｎａｌｙｓｉｓ”命令后，弹出交流分析设置对话框，如图２.２.７所示。“ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”选项卡中：“Ｓｔａｒｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＦＳＴＡＲＴ）”用于设置分析扫描的起始频率；“Ｓｔｏｐｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＦＳＴＯＰ）”用于设置分析扫描的终止频率；“Ｓｗｅｅｐｔｙｐｅ”用于选择频率扫描方式，共三个选项：Ｄｅｃａｄｅ（１０倍频扫描）、Ｏｃｔａｖｅ（２８倍频扫描）、Ｌｉｎｅａｒ（线性扫描）。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法“Ｎｕｍｂｅｒｏｆｐｏｉｎｔｓｐｅｒｄｅｃａｄｅ”用于设置取样点数，点数越多，仿真越精确，但是仿真速度越慢；“Ｖｅｒｔｉｃａｌｓｃａｌｅ”用于设置纵坐标刻度，共四种选项：Ｄｅｃｉｂｅｌ（分贝）、Ｏｃｔａｖｅ（倍数）、Ｌｉｎｅａｒ（线性）、Ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ（对数）。在“Ｏｕｔｐｕｔ”选项卡中选择要进行交流分析的节点，对于图２.２.４所示的同相比例电路中选择节点６为交流分析的节点。设置完成后单击“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”按钮，会显示同相比例电路的交流分析结果，如图２.２.８所示，上图为幅频特性曲线，下图为相频特性曲线。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法２.２.３瞬态分析瞬态分析（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ）为非线性时域分析方法，用于分析电路的时域响应，分析结果为指定变量和时间的函数关系。因此在瞬态分析时要指定分析的时间范围，选择合理的时间步长，系统会计算选择节点在每个时间点的电压。选择“ＴｒａｎｓｉｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ”命令，会弹出瞬态分析设置对话框，如图２.２.９所示。“ＡｎａｌｙｓｉｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”选项卡中各项内容如下。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法１.“ＩｎｉｔｉａｌＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓ”区“ＩｎｉｔｉａｌＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓ”区用于设置瞬态分析的初始条件，共有４个选项：ＳｅｔｔｏＺｅｒｏ（初始条件为零）、Ｕｓｅｒ－Ｄｅｆｉｎｅｄ（用户自定义初始条件）、ＣａｌｃｕｌａｔｅＤＣＯｐｅｒａｔｉｎｇＰｏｉｎｔ（直流工作点为初始条件）、Ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ（系统自动设定初始条件）。２.“Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ”区“Ｓｔａｒｔｔｉｍｅ（ＴＳＴＡＲＴ）”用于设置分析起始时间；上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法“Ｅｎｄｔｉｍｅ（ＴＳＴＯＰ）”用于设置分析结束时间；“Ｍａｘｉｍｕｍｔｉｍｅｓｔｅｐｓｅｔｔｉｎｇｓ（ＴＭＡＸ）”用于设置最大时间步长，共有三个选项：Ｍｉｎｉｍｕｍｎｕｍｂｅｒｏｆｔｉｍｅｐｏｉｎｔｓ（起始和结束时间内最小时间点数）、Ｍａｘｉｍｕｍｔｉｍｅｓｔｅｐ（ＴＭＡＸ）（起始和结束时间内最大时间步长）、Ｇｅｎｅｒａｔｅｔｉｍｅｓｔｅｐｓａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ（自动设置时间步长）。３.“Ｍｏｒｅｏｐｔｉｏｎｓ”区“Ｍｏｒｅｏｐｔｉｏｎｓ”区中“Ｓｅｔｉｎｉｔｉａｌｔｉｍｅｓｔｅｐ（ＴＳＴＥＰ）”用于设置起始时间步长。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法同理，在“Ｏｕｔｐｕｔ”选项卡中选定要分析的节点，对于图２.２.４中的同相比例电路选择节点２、节点６为瞬态分析的节点，单击“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”按钮，结果如图２.２.１０所示，由图可见输入信号的电压峰值为１Ｖ，输出信号的电压峰值为４Ｖ。２.２.５噪声分析电路中的元件在工作时会产生噪声，噪声分析（ＮｏｉｓｅＡｎａｌｙｓｉｓ）用于定量分析电路中噪声的大小。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ提供了３种噪声模型：ＴｈｅｒｍａｌＮｏｉｓｅ（热噪声）、ＳｈｏｔＮｏｉｓｅ（散射噪声）、ＦｌｉｃｋｅｒＮｏｉｓｅ（闪烁噪声）。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法热噪声由温度变化产生；散射噪声由电流在半导体中的流动产生。２.２.６噪声系数分析噪声系数分析（ＮｏｉｓｅＦｉｇｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ）用于分析电路中元件的噪声对电路的影响。噪声系数定义为：ＮＦ＝１０ｌｇＦ式中，Ｆ＝输入信噪比／输出信噪比，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ分析的结果就是电路的噪声系数ＮＦ。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法选择“ＮｏｉｓｅＦｉｇｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ”命令，弹出噪声系数分析设置对话框，如图２.２.１７所示，“ＡｎａｌｙｓｉｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”选项卡内容与噪声分析基本一致，只是增加了“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ”（设置输入信号频率）、“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”（设置仿真温度）两项。设置完成后，单击“Ｓｉｍｕｌａｔｅ”按钮，结果如图２.２.１８所示。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法２.２.７失真分析失真分析（ＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ）用于分析电路中元件的非线性产生的谐波失真和互调失真，也用于分析由电路频率特性不理想引起的幅度、相位失真。失真分析对分析电路中的小信号微小失真十分有效。选择“ＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ”命令，弹出失真分析设置对话框，选项卡“ＡｎａｌｙｓｉｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”内容如图２.２.１９所示。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法２.２.８直流扫描分析直流扫描分析（ＤＣＳｗｅｅｐ）用于分析指定节点的直流工作点随直流电源变化的情况。其作用相当于每变化一次电源的值，对电路进行一次仿真分析。该方法在确定半导体器件的输入特性曲线、输出特性曲线、转移特性曲线时非常有用。选择“ＤＣＳｗｅｅｐ”命令，弹出直流扫描分析设置对话框，“ＡｎａｌｙｓｉｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”选项卡内容如图２.２.２１所示。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法２.２.９灵敏度分析灵敏度分析（ＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓ）用于研究电路中元件参数发生变化时对电路节点的影响程度。灵敏度分析分为直流灵敏度分析和交流灵敏度分析，直流灵敏度分析反映了元件参数变化对指定节点电压、电流的影响程度，用表格显示分析结果；交流灵敏度分析反映元件参数变化对指定节点的交流频率响应的影响，用幅频特性和相频特性曲线显示分析结果。灵敏度分析可以帮用户快速找到对电路影响最大的元件。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法选择“ＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓ”命令，弹出灵敏度分析设置对话框，“ＡｎａｌｙｓｉｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”选项卡内容如图２.２.２３所示。２.２.１０参数扫描分析参数扫描分析（ＰａｒａｍｅｔｅｒＳｗｅｅｐ）指在指定范围内改变元件参数，对电路选定节点进行直流工作点分析、瞬态分析、交流特性分析等。该分析相当于对电路进行多次不同参数的仿真分析，对于电路性能的优化有重要作用。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法参数扫描分析共有３种扫描方式：直流工作点分析、瞬态分析、交流频率分析，在分析时用户要设置参数变化的初始值、结束值、增量和扫描方式。利用参数扫描分析方法分析如图２.２.４所示的同相比例电路中Ｒ２的大小对电路放大倍数的影响。选择“ＰａｒａｍｅｔｅｒＳｗｅｅｐ”命令，弹出参数扫描分析设置对话框，“ＡｎａｌｙｓｉｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”选项卡各项内容如下。上一页下一页返回２.２Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０仿真分析方法２.２.１１温度扫描分析温度扫描分析（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｗｅｅｐ）用于分析温度变化对电路性能的影