《电子电路仿真》-第二章

第2章Multisim2001模拟电子技术设计实践

［技能目标］1.学会使用示波器观察电路波形；2.学会信号源的使用方法；3.掌握交流频率响应的仿真测试方法；4.掌握傅里叶分析、失真分析方法。［知识目标］1.掌握Multisim2001

的基本操作；2.掌握示波器的使用方法；3.掌握数字信号发生器的使用方法；4.了解元件故障的设置方法；5.熟悉函数信号发生器的设置。下一页返回第2章Multisim2001模拟电子技术设计实践

［教学法建议］1.本章内容以《模拟电子技术》知识为基础，在项目实践分析时可附加一部分课时对前期知识点进行回顾；2.实践项目教学建议使用多媒体教室进行讲解，采用边学边做的方式进行；3.课后习题中的实践项目应作为必做项目。上一页返回2.1单管放大电路仿真分析在模拟电子线路分析与设计过程中，经常需要选择合适的元件。如果在设计过程中，每换一个元件就进行一次测试，则工作量非常大。利用Multisim2001提供的大量的仿真分析法，可以为电路设计提供许多有效的方法。单级共射放大电路是放大电路的基本形式，为了获得不失真的放大输出，需设置合适的静态工作点，静态工作点过高或过低都会引起输出信号的失真。通过改变放大电路的偏置电压，可以获得合适的静态工作点。单级共射放大电路是一个低频、小信号放大电路。当输入信号的幅度过大时，即使有了合适的静态工作点，同样会出现失真。改变输入信号的幅值即可测量出最大不失真输出电压。放大电路的输入、输出电阻是衡量放大器性能的参数。下一页返回2.1单管放大电路仿真分析在放大电路中，由于耦合电容、旁路电容、极间电容的影响，以及三极管的共射电流放大系数随频率变化的特性，放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻等性能参数都与频率有关。共射放大电路在低频区时，由于耦合电容、旁路电容的影响，其增益随频率的增大而下降；在中频区，极间电容、旁路电容都可视为短路，故中频区增益基本不随频率变化。另外，整流、滤波电路利用二极管的单向导电性，把交流电压变换成脉动很小的直流电压，而稳压电路的作用是使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析2.1.1单管放大电路的主要参数如图2−1所示的是工作点稳定的单管放大电路（又称为分压偏置放大电路）。由于三极管是一种温度敏感的电子元件，温度变化导致Ic

变化，导致静态工作点不稳定。因此，通过该电路可以根据温度变化自动调节基极电流Ib，使集电极电流Ic维持不变，以稳定静态工作点。当流过电阻R2上的电流大于IB时，静态工作点可按下式估算：上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析电压放大倍数上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析输入电阻输出电阻=

=2(kΩ)式中是三极管基极和发射极之间的电阻，β为电流放大系数，用鼠标双击图2−1中的三极管，单击“EditModel”，从仿真模型参数可看出，此处电流放大系数β为153.575，忽略函数发生器内阻，为三极管基极和发射极电压，此处取0.7V。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析2.1.2参数分析单管放大电路主要是将静态工作点、输入电阻、输出电阻、放大倍数及频率响应分析等作为研究对象。1.静态工作点分析在菜单栏中执行“Option”→“Preferences”命令，将打开如图2−2所示的Preferences对话框，选中“Circuit”选项卡并选定其中的“Shownodenames”选项。在菜单栏中依次执行“Simulate”→“Analyses”→“DCOperatingPoint”命令，将弹出直流工作点分析对话框，在“Outputvariables”选项卡中选择需要仿真的输出变量，此处选择图2−1中第1、第2、第4节点为输出。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析然后单击“Simulate”，得出如图2−3所示的静态工作点计算结果。从图中看出电压为第1、第4节点电压差，为5.4V左右，与理论计算值相符合。2.放大倍数分析虚拟示波器输入/输出波形如图2−4所示，输入电压频率是1kHz，幅值5mV，输出电压幅值为380mV，放大倍数为76，这与理论计算结果基本符合。改变图2−1中R1为10kΩ，观察输出波形和静态工作点变化，参数改变后电路的静态工作点和放大倍数都发生变化。输出结果如图2−5所示，从图中可知输出电压为472mV，输入为5mV，放大倍数为94.5，比原来增大了。从放大倍数计算公式可看出，R1减小后，增大了，增大了，使减小，故放大倍数Au增大，同时减小。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析前面用直流静态工作点分析来获得静态工作点各参数，下面直接以万用表来测量静态工作点，并与原来的值进行比较。首先测量集电极电流Ic

。测量Ic

有两种方法：一是根据,

测量集电极电压，间接测量Ic。另外一种采用集电极直接串联电流表测量，测试电路如图2−6所示。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析

，用万用表在集电极直接测量电流的数值为2.587mA，比间接法测量的电流少24μA，这是由于间接测量的Ic包括基极电流，因此要略大一些。通过电流表直接测量值来计算集电极和发射极电压。

=VCC−(R5+R3)Ic=1.652(V)，通过以上静态工作点参数测量，发现电阻R1减小后，Ic增大，减小、放大倍数增大，与理论分析研究完全吻合。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析4.测量输入电阻作为放大电路，必然有信号源提供信号，因此放大电路总是要与信号源相连，要从信号源获取电流，放大电路的输入电阻的大小直接影响获取的电流大小。输入电阻越大，表明从信号源获取的电流越小，放大电路输入端电压越接近信号源电压。如果放大电路作为多级电路的后级，其输入电阻对前级电路的影响也比较大，因此需要知道其输入电阻。输入电阻测量原理如图2−7所示，按等效电阻定义，只需测量其输入端电压和电流就可以计算出输入电阻。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析（1）根据图2−8搭接电路（打开Multisim2001，在元器件库中找出相应的元器件，根据图2−8连线）。（2）设置电压表和电流表为交流方式（双击电流表或电压表弹出窗口如图2−9所示，单击“DisplayValue”选项卡，修改Mode为AC，单击【确认】，窗口关闭。电压表也一样）。（3）合上仿真开关，记录电压表和电流表的读数U和I，断开开关。（4）计算在1kHz频率下的输入电阻：Ri=U/I。4.测量输出电阻输出电阻是指从输出端看的等效电阻。输出电阻越大，表明接入负载后输出电压下降越多。因此输出电阻是衡量放大电路驱动负载能力的重要指标。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析从输出端来看，测量输出电阻的戴维南等效电路如图2−10所示，则输出电阻。本例利用开关K1来描述电路带负载和不带的情况，建立测试电路如图2−11所示。激活电路，并双击万用表，得到开关打开时的电压Uo=423.888mV，此时按下键盘上的【A】键（此处定义按下键盘上的【A】键为开关K1闭合，读者也可自行定义其他按键），此时开关K1闭合，测得带负载时电压UL=339.140mV，根据以下公式可算出输出电阻上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析5.分析频率响应（1）根据图2−8搭接电路。（2）执行菜单“Simulate”→“Analyses”→“ACAnalysis”，步骤如图2−12所示，弹出图2−13，进行交流分析设置。（3）设置分析参数：扫描范围1Hz～1GHz，扫描点数100，其余默认。单击“FrequencyParameters”选项卡，设置Startfrequency（起始频率）为1Hz，Stopfrequency（终止频率）为1GHz。Numberofpointsperdecade为100。（4）设置输出接点为C2的负端。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析单击“Outputvariables”选项卡，窗口变化如图2−14所示，选中节点5，单击“Plotduringsimulation”。电路的连接顺序不同，系统自动给出的节点编号是不同的。在空白处单击右键选中“Show”，单击出现选择窗口如图2−15所示，勾选“Shownodenames”，单击【OK】。（5）单击“Simulate”按钮，系统进行仿真分析，屏幕弹出分析结果图，如图2−16所示。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析2.1.3知识链接1.函数信号发生器设置双击图2−17中函数信号发生器，将弹出如图2−18所示的对话框，通过设置参数可调整输入波形参数，说明如下。Waveforms（波形选择）：选择输出信号类型，该函数发生器提供常用的正弦波、三角波和方波信号，本例选择正弦波。SignalOptions（信号参数设置）：Frenquency设置，设置信号频率，本例设置为2kHz；DutyCycle设置，设置信号占空比，仅对方波信号和三角波有效；Amplitude设置，设置信号幅值，本例设置为5mV；Offset设置，即把输出信号叠加到偏置的直流信号上输出，默认为0，本例保持默认值。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析“SetRise/FallTime”按钮：设置方波信号的上升或下降时间，只在所选择信号为方波时有效。单击该按钮，弹出如图2−18所示对话框。其中，仪器的默认值如图2−18所示，在栏中可以改变其上升和下降时间，单击“Accept”按钮即可。2.交流频率响应的仿真测试方法Multisim2001扫描分析法中的交流分析（ACAnalysis）可以对模拟电路进行交流频率响应的分析，即获得模拟电路的幅度和相位的频率响应。Multisim2001在进行交流分析前，会自动计算电路的直流工作点，以确定电路中非线性元器件的小信号工作模型，而且，在交流分析中，所有输入源都认为是正弦信号，直流电压源视为短路，直流电流源视为开路。交流频率响应的仿真测试方法如下。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析（1）启动Simulate菜单中Analyses下的“ACAnalysis”命令，弹出ACAnalysis对话框，在ACAnalysis对话框中，单击“FrequencyParameters”按钮；（2）设置AC分析的频率参数：Startfrequency（交流分析的起始频率）为1Hz，Stopfrequency（交流分析的终止频率）为10GHz，Sweeptype[扫描方式(X轴刻度)]为Decade(十倍程)，Numberofpointperbecade（每个十倍程刻度数）为10，Verticalscale[幅度刻度形式(Y轴刻度)]为Logarithmic（对数刻度）；（3）在ACAnalysis对话框中，单击“Outputvariables”按钮，选择分析节点；上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析（4）单击ACAnalysis对话框的“Simulate”按钮，便可得到放大电路的交流频率响应特性曲线图。实训及思考题实训1：直流电路的分析实训目的：1.掌握Multisim2001的直流电路的分析方法；2.掌握电压表、电流表和信号源的使用方法；3.掌握直流工作点分析方法；4.初步掌握放大电路静态工作点的测量方法。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析实训内容：（1）分析直流电路的3种状态：通路、开路、短路的特点。①通路状态下，电路形成闭合回路，有正常电流；②开路状态下，电路无电流，开路处的电压等于电源电压；③短路状态下，电路中电流增大，与短路线并联的元器件无电流通过，电压为0。（2）所需仪器：直流稳压电源、电压表、电流表。（3）电路：如图2−19所示。（4）操作：①K1闭合，K2断开，直流电路处于通路状态，用电流表测量电路的电流，用电压表测量电阻R2上的电压。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析②K1断开，直流电路处于开路状态，用电流表测量电路的电流，用电压表测量电阻R2上的电压和开路处K1两端的电压。③K1闭合，K2闭合，R2短路，用电流表测量电路的电流，用电压表测量电阻R2上的电压。实训思考题：（1）在电路中如何判定静态工作点I=10mA?请说明如何测量。（2）如何修改电压表和电流表的参数，以使其正确测量直流和交流信号？如何修改其内阻？（3）如何运用直流工作点分析方法测试电路的静态工作点？上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析实训2：功率放大电路的分析实训目的：1.掌握功率放大电路的静态工作点的调整方法；2.学习功率放大电路的基本参数测量方法；3.观察多级放大器的极间连接及相互之间的影响；4.了解元件故障的设置方法。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析实训内容：（1）绘制如图2−20所示的OTL功率放大电路。（2）测试静态工作点。①调整信号的输出为0mV，然后调整RP电位器使电路中点的电位为7.5V。②输入频率为1kHz，幅值为10mV的正弦交流信号，并将开关闭合，用示波器观察输出波形。③将开关断开，用直流工作点分析方法观测三极管各极电压，判断两个三极管的工作状态。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析（3）测量OTL功率放大电路的效率。增大输入信号，在接入电容C2和短路电容C2的状态下分别测量负载两端最大不失真输出电压Uomax的大小，同时测量此时的电源电流I，然后计算输出功率Po、电源输入功率pv以及功放的效率。根据是否接入电容C2，说明自举电容C2在电路中的作用。（4）在接入C2和短路C2的状态下用频率特性分析测试功率放大的上限截止频率和下限截止频率以及频带宽度，并说明自举电容C2对频带宽度有何影响。上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析（5）设置故障，观察输出波形的变化。分别将三极管T2和T3设置为开路，观察输出波形，并画出波形。双击T2，在对话框中选择三极管的1脚和2脚并设置为开路，然后仿真电路，观察输出波形的变化。还原T2，同样设置T3，观察波形变化，并说明为何两个波形不同。实训思考题：（1）图2−20所示的功率放大电路产生交越失真的原因是什么？在电路中两个二极管D1和D2有什么作用？（2）静态工作点Q位于直流负载线的何处？直流负载线与交流负载线之间有什么关系？（3）实验中测得的最大不失真峰值输出电压与估算值有什么差异？最大不失真输出功率的测量值与计算值相比较有什么差异？上一页下一页返回2.1单管放大电路仿真分析思考题：1.说明Multisim2001中元件库的层次和分类。2.从模拟元件库中找到运放3554AM并对其引脚封装进行修改，修改后存到User库对应目录中。3.试在Multisim2001的User数据库中建立一个新的运放元件。4.试在Multisim2001环境下判断图2−21中4支二极管的导通情况。上一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

2.2.1DAC电路的基本原理DAC（又称D/A）是将数字信号转换成模拟信号的电路。描述它的主要技术指标有：分辨率、输出建立时间、转换误差、非线性误差、温度系数、电源抑制比。集成的D/A转换电路很多，其中DAC0832是一种常用的8位CMOS型的D/A转换电路。DAC电路输入的数字信号是一种二进制编码，通过转换，按每位权的大小换算成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的和就是与输入的数字量成正比的模拟量。在Multisim2001的混合库里有两种D/A转换器：一种是电流型IDAC，另一种是电压型VDAC，都是8位。VDAC逻辑符号如图2−22所示，其中D0～D7为输入的数字量，“+”端和“−”端分别接参考电压的正负端，右侧端子为输出的模拟信号端。下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

1.设计仿真电路（1）如图2−23所示，该电路采用总线方式进行连接。（2）74LS161D是4位二进制同步计数器，2片74LS161D通过级联后构成8位二进制（模为256）加法计数器，V1为该计数器的时钟信号源。U3、U4属于本身带译码的数码显示器。（3）VDAC将数字信号转换成与其大小成比例的模拟信号，“+”端接参考电压VDD，“−”端接地，则输出电压VO为VO=（VDD*D）/256。其中，D表示输出二进制数对应的十进制数。2.设计仿真步骤（1）连接电路（如图2−23）。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

（2）观察数码管U3、U4显示的VDAC输出数字信号（模为256的计数器输出信号）与VDAC输出模拟信号之间的关系，发现输出模拟信号的幅度与数码管U3、U4显示的数码大小成正比。验证VDAC输出电压公式VO=（VDD*D）/256（其中D表示输入二进制数对应的十进制数，VDD为参考电压）是否与仿真实验结果相吻合。（3）分别调整参考电压。VDD为6V、10V和12V，利用示波器观察VDAC输出模拟信号的变化规律。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

（4）调整8位二进制加法计数器时钟信号源V1的频率，发现数码管显示速度发生变化，只有VDAC输出模拟信号的形状不变。调整8位二进制加法计数器时钟信号源V1的幅度，观察数码管显示速度和VDAC输出模拟信号的变化情况。仿真结果如图2−24、图2−25、图2−26所示。通过分析具体验证了DAC芯片的工作过程，各项参数也达到了电路应用设计的预期要求。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

2.2.2A/D转换器A/D转换器是将输入的模拟信号转换成数字信号输出。A/D转换器的主要技术指标有：（1）分辨率，指输出信号位数，有8位、10位、12位等；（2）转换速度，指每次转换需要的时间；（3）相对精度，指实际输出的数字量与理想转换特性之间的最大偏差。Multisim2001中的A/D转换器只有一种，输出数字信号位数是8位，逻辑符号如图2−27所示，各管脚定如下。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

VIN：模拟电压输入端子。VREFP：参考电压“+”端子，要接直流参考源的正端。因为输出为8位，则输出信号对应的量化离散电平为VIN*256/VRF。从这个公式可看出，量化位数越多分辨率越高，输入电压范围越小，分辨率也越高，如输入电压最高为5V，则最小能分辨的电压约为20mV。VIN为输入的信号电压，VRF为参考电压，VRF=VREFP−VREFN。VREFN：参考电压“−”端子，一般与地连接。SOC：启动转换信号端子，只有端子电平从低电平变成高电平时转换才开始。EOC：转换结束标志位端子，高电平表示转换结束。OE：输出允许端子，可与EOC接在一起，依次转换完成后允许输出。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

D0～D7：数字信号输出端。A/D转换器的工作原理图如图2−28所示。1.仿真过程（1）启动仿真开关，用示波器和数码管观察输入和输出是否一样，如图2−29所示，在刚启动电路时，输入正弦电压为5V，数码管为80H，随着输入电压升高，数码管显示数值也在增加，在输入正弦到达最大时，数码管显示为FFH，以后数码管显示数值又逐渐减小到00H，说明该A/D转换器工作正常。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

（2）改变参考电压为20V，用示波器观察如图2−30所示，重新启动仿真开关，观察数码管在开始时显示值为40H。开始时正弦电压输入VIN=5V，参考电压VRF=20V，根据公式VIN*256/VRF则有输入对应的十进制数为64，转换为十六进制即40H，说明数码管显示正确。（3）将示波器的输入接到A/D转换器的EOC端，测量波形如图2−31所示。输出脉冲为高表示一次转换结束，因此在A/D转换器SOC端输入频率10kHz的条件下，该A/D转换器的转换时间为500μs。该A/D转换器转换时间和SOC端输入频率有关。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

2.2.3知识链接双踪示波器示波器（Oscilloscope）可以直观地观测信号的时域波形，Multisim提供了数字式存储示波器，可以观察到瞬间变化的波形。图2−32所示为示波器的图标和面板图。1.扫描时基选择示波器扫描时基选择面板如图2−33所示，其中：Scale（扫描时间）表示X轴方向每一刻度代表的时间，可以在其中选择不同的扫描时间，一般初始设置扫描时间与被测电路中的信号周期一致。Xposition（X位移）表示X轴方向时间基线的起始位置。【Y/T】表示Y轴显示A、B通道信号波形，X轴方向显示时间基线。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

【Add】表示Y轴显示A、B通道信号叠加波形，X轴方向显示时间基线。【B/A】表示A通道信号作为X轴扫描信号，将B通道信号施加在Y轴上显示；【A/B】与上述相反。2.输入通道设置示波器有两个完全相同的输入通道A和B，其面板如图2−34所示，其中：Scale（伏/度选择）用于设置Y轴方向每格的电压值。Yposition（Y位移）表示Y轴方向时间基线的起始位置。输入耦合方式中有3种，【AC】表示交流耦合；【0】表示接地，可用于确定零电平在屏幕上的基准位置；【DC】表示直流耦合。其中B通道中的按钮在单独使用时，显示B通道的反相波形，若与时基调节中的【Add】一起使用，则显示A、B通道A−B叠加波形。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

3.触发方式设置示波器的触发方式设置面板如图2−35所示，其中：Edge用于选择上升沿触发或下降沿触发。Level用于选择触发电平的大小。触发方式有6种选择，选择【Auto】表示自动触发方式；选择【Nor.】为常态触发方式；选择【A】或【B】表示将A通道或B通道的输入信号作为时基扫描的触发信号；选择【Ext】为外触发，是指用示波器图标上触发端子连接的信号作为触发信号；选择【Sing.】为单次触发方式，一般情况下使用【Auto】方式。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

4.示波器读数方法为了测量准确和读数方便，一般在暂停仿真操作冻结波形后，再进行观测。图2−32中的指针1处读数中的T1表示当前位置的时刻，VA1表示当前位置A通道的电压值，VB1表示当前位置B通道的电压值；指针1、2处的读数差中的T2−T1表示两读数轴之间的时间差，它一般用于测量信号周期等；VA2−VA1（或VB2−VB1）表示两读数轴处A（或B）通道波形的电压差，一般用于测量信号的幅度、峰−峰值等。5.应用举例Multisim2001提供的示波器具有存储功能，用户可以观测到普通示波器比较难测量到的瞬态波形，例如图2−36所示的电容的充电过程。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

从电路中可以得出电路充电电压为12V，RC时间常数τ=0.001s，故示波器的时基设置为1ms，伏/度选择设置为5V/div。为了保证观测到瞬间的波形，还必须进行默认仪器设置。执行菜单“Simulate”→“DefaultInstrumentSettings”，屏幕弹出如图2−37所示的仪器环境设置对话框，在其中对瞬态分析进行设置。（1）在Initialconditions（初始环境设置）下拉列表对话框中选择：Settozero（初始条件设置为0）。（2）设置Analysis（分析）参数中的Endtime（TSTOP）为0.01s，然后单击【Accept】按钮完成设置。（3）打开仿真开关，示波器显示电容C1的充电波形。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

实训及思考题实训：振荡器电路的分析实训目的：1.掌握三点式正弦波振荡电路的组成；2.掌握电路的瞬态分析方法；3.掌握参数扫描分析方法。实训内容：（1）分析影响振荡电路所产生的信号的振荡频率的电路参数。（2）研究反馈系数对起振点的影响。（3）所需仪器：毫伏表、示波器。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

（4）操作：绘制如图2−38所示的电路，然后启动电路，测量三极管T1基极的直流电压，然后断开T1与电感L1之间的连线，再测量T1的基极直流电压。从测量结果可以分析出，振荡电路起振后工作电流较大，基极直流电压较低；振荡电路不振荡时工作电流较小，基极直流电压较高，可以通过测量直流静态工作点判断电路是否起振。①调节R1，使Ic≈1mA。②调节C1分别等于20pF、160pF，用示波器观测输出波形，并测量振荡频率的变化范围fomin～fomax，确定fo=6.5MHz时C1的取值。③调节R1的大小以改变电路的静态工作电流，Ic取如下不同值，用示波器测量振荡频率fo和幅值Vp-p。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

用瞬态分析方法观察电路起振的建立过程：首先进入瞬态分析设置，执行“Simulate”→“Analyses”→“TransientAnalysis”命令。然后采用直流工作点分析方法，初始条件选择“CalculateDCoperatingpoint”，分析的起始时间“Starttime”为“5e−5”，分析的终止时间“Endtime”为“0.0001”，输出节点为T1的集电极，记录输出的波形，可以从输出的波形看出振荡建立的过程，并可以用傅里叶分析方法分析波形失真的情况。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

用参数扫描方法改变电容C1，观察振荡电路的变化：首先进入参数扫描设置，执行“Simulate”→“Analyses”→“ParameterSweep”。设置元件C1参数，在“Device”栏中选择电容“Capacitor”，在“Name”栏中选中系统默认的元件参数ID“ccl”，在“Parameter”中选中电容容量“Capacitance”，在扫描类型“SweepVariationType”下拉列表框中选中“List”，在“Values”栏中设置扫描值为“le−010，2e−010，3e−010”。上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

设置输出节点为T1的集电极，然后单击【More】按钮打开对话框，设置分析模式，选中瞬态分析“TransientAnalysis”，单击【EditAnalysis】按钮，设置“Starttime”为“0.005”，“Endtime”为“0.006”，然后单击【Simulate】按钮进入分析，观察电容变化对振荡电路的影响。实训思考题：（1）振荡电路的测量值与理论计算值相比较有什么不同？（2）调节电感L1或者电容C1，振荡频率有何变化？改变过程对输出电压有什么影响？（3）增大或者减小电阻R4

，对输入电压的大小和频率有什么影响？上一页下一页返回2.2基于Multisim2001的D/A、A/D电路的设计仿真

思考题：1.创建一个工作点稳定的三极管放大电路，分别用直流工作点分析计算其静态工作点，用瞬态分析观察输入/输出波形，用交流分析法分析其频率特性。2.简述傅里叶的基本功能和操作过程。3.为什么在仿真电路中一定要有接地符号？4.如何调用各种元器件和仪器仪表？上一页返回2.3直流稳压电源这里所讨论的直流稳压电源实际是一种AC/DC变换器，其作用是将交流电转换成直流电并进行稳压。如图2−40所示为直流稳压电源的组成框图，其主要组成部分有电源变压器、整流器、滤波器、稳压器等。由于大多数电子设备所需的直流电压一般为几至几十伏，而交流电网提供的220V（有效值）电压相对较大，因此电源变压（powersupplytransform）电路的作用就是电源变压器对电网按电压进行降压。另外，变压器还可以起到将直流电源与电网隔离的作用。下一页返回2.3直流稳压电源整流（rectification）电路的作用是将降压后的交流电压转换为单极性的脉动电压，这种脉动电压中包含有较大的直流成分，这是输出可以得到直流电的基础。不过这种脉动电压中存在着很大的脉动成分（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，需要进一步处理。滤波（filtering）电路的作用是对整流电路输出的脉动电压进行滤波，从而得到交变成分很小的直流电压。滤波电路实际为低通滤波器，其截止频率应低于整流输出电压的基波频率。上一页下一页返回2.3直流稳压电源经过整流滤波后的电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此稳压（regulatedpower）电路的作用就是对输出电压进行稳压，从而保证输出直流电压的基本稳定。上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.3.1电源变压器的仿真实践电源变压是用电源变压器对电网电压进行降压。实际上，理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。（1）按图2−40画出仿真电路。（2）调用Multisim，取电源变压器变压比为10:1，交流电源为200V/50Hz（其中200V应为电压幅值即峰值，而不是有效值），负载电阻（100Ω）以及示波器组成图2−41所示电路。上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.3.2电源整流电路仿真实践整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。1.半波整流（halfwaverectifier）仿真步骤：①按图2-42画出仿真电路；②在二极管D1两端接上示波器；③运行仿真开关，观察半波整流电路的波形。上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.全波整流全波整流电路中的二极管安全工作条件如下。①二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管的平均电流。由于4个二极管是两两轮流导通的，因此由

IF＞IVD0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL②二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即

UR>URM=U2上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.3.3滤波电路虽然全波整流的纹波系数相对半波整流而言有很大改善，但与实际要求仍然相差较大，需采用滤波电路进一步减小波纹。滤波通常是利用电容或电感的能量储存作用来实现的。1.电容滤波仿真步骤：①按图2−43画出仿真电路。取电容（1000μF）1只并组成图2−44所示电路。②观察电容滤波电路的输出电压波形，并记录（画在坐标纸上）。上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.电容C和负载电阻的变化对输出电压的影响仿真电路：图2−45所示电路。由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点。①C越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取

C≥(3～5)式中，T为交流电源电压的周期。上一页下一页返回2.3直流稳压电源②RL越小输出电压越小。若C值一定，当RL→∞，即空载时有UL0=U2≈1.4U2当C=0，即无电容时有UL0≈0.9U2当整流电路的内阻不太大（几欧姆）且电阻和电容C取值满足式

RLC≥(3～5)时，有UL0≈(1.1～1.2)U2总之，电容滤波适用于负载电压高、负载变化不大的场合。上一页下一页返回2.3直流稳压电源3.电感滤波（inductancefilter）电感滤波电路如图2−46所示，由于市电交流电频率较低（50Hz），电路中电感L一般取值较大，约几亨以上。电感滤波电路是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反，自感电动势阻碍了电位的增加，同时也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之当电感中电流减小时，自感电动势的作用是阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。上一页下一页返回2.3直流稳压电源仿真电路：图2−47所示电路。关于电感滤波电路的几点结论。①L越大、RL越小，输出纹波越小。②忽略电感内阻，ULO=0.9U2（理论值）。③电感滤波适用于低电压、大电流的场合。④工频电感体积大、重量重、价格高、损耗大、电磁辐射强，因此一般少用。此外，为了进一步减小负载电压中的纹波，电感后面可再接一电容而构成倒L形滤波电路或采用π形滤波电路，分别如图2−48和图2−49所示。上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.3.4稳压滤波后的输出电压即使纹波很小，也仍然存在稳定性的问题。这是因为当负载变化或电网电压波动时，输出电压也要随之改变，因此，绝大多数直流电源都必须采用稳压电路进行稳压。简单稳压管稳压电路如图2−50所示。电路中，R2为限流电阻，D1为稳压二极管。图2−51所示为稳压二极管的伏安特性曲线。上一页下一页返回2.3直流稳压电源稳压管稳压的原理，实际上是利用稳压管在反向击穿时，电流可在较大范围内变动而击穿电压却基本不变的特点而实现的。当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之反向变化，结果仍是输出电压基本不变。显然，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。通常rz表示其反向击穿后的微变等效电阻，rz约为几欧姆。上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.3.5知识链接1.傅里叶分析傅里叶分析（FourierAnalysis）是一种频域（FrequencyDomain）分析方法，将周期性的非正弦信号转换成由正弦及余弦信号的叠加，即f(t)=A0+A1cosωt+A2cos2ωt+…+B1sinωt+B2sin2ωt+…当要进行傅里叶分析时，可依次执行“Simulate”→“Analyses”→“FourierAnalysis”命令，将弹出如图2−53所示对话框。傅里叶分析对话框中包括4个选项卡，除了“AnalysisParameters”选项卡外，其余与直流工作点分析的设置一样，在“AnalysisParameters”选项中包括下列选项区域。上一页下一页返回2.3直流稳压电源分析步骤：（1）在EWB上先创建需进行分析的电路图。（2）选定“仿真/分析（Analysis）”中的傅里叶分析项。（3）确定被分析的电路节点。（4）根据对话框的要求设置参数。（5）按【Simulate】按钮，即可在显示图上获得被分析节点的离散傅里叶变换波形。傅里叶分析结果可以显示被分析节点的电压幅频特性和相频特性，显示的幅度可以是离散条形，也可以是连续曲线形，默认为离散形。上一页下一页返回2.3直流稳压电源①样本选项：频率分辨率（基频）；基频谐波数；样本停止时间。②编辑瞬态分析。③结果显示：显示相位；以条形图显示；正常图形；显示图表；垂直刻度显示。上一页下一页返回2.3直流稳压电源“Samplingoptions”选项区域“Frequencyresolution（FundamentalFrequency）”栏：用于设定基本频率，如果电路中有多个交流信号源，则取各信号源频率之最小公倍数。如果不知道如何设定，则可以单击【Estimate】按钮由程序预估。“Numberof”栏：用于设定需要分析的谐波次数。如果不知道如何设定，则可以单击【Estimate】按钮，由程序预估。“Stoptimeforsampling（TSTOP）”栏：用于设定停止取样的时间，如果不知道如何设定，则可单击【Estimate】按钮，由程序预估。上一页下一页返回2.3直流稳压电源【Edittransientanalysis】按钮本按钮的功能是用于设定瞬态分析的选项。单击本按钮后，将弹出如图2−54所示对话框，此对话框里的各项都与时域的瞬态分析一样。“Results”选项区域“Displayphase”选项：设定幅度频谱和相位频谱并画出；“Normalizegraphs”选项：设定以归一化频谱图方式显示；“Displayasbargraph”选项：设定以线条方式绘出频谱图。上一页下一页返回2.3直流稳压电源2.噪声分析（1）噪声分析步骤。①在EWB上先创建需进行分析的电路图。②选定“仿真/分析（Analysis）”中的噪声分析（NoiseAnalysis）。③确定被分析的电路节点和输入噪声源。④根据对话框的要求，如图2−55所示，设置参数。⑤按【Simulate】按钮，即可在显示图上获得被分析节点的噪声分布曲线图。上一页下一页返回2.3直流稳压电源（2）电路参数分析。①分析参数：输入噪声分析源；分析输出节点；参考电压节点。②频率参数：扫描开始频率；扫描结束频率；扫描方式；每进制点数；垂直刻度方式。上一页下一页返回2.3直流稳压电源（3）噪声系数分析。分析参数：输入噪声参考源；输出分析节点；参考电压节点；外部频率；外部温度。上一页下一页返回2.3直流稳压电源3.失真分析失真分析（DistortionAnalysis）是分析电路中的谐波失真和内部调制失真的方法。若电路中有一个交流信号源，该分析能确定电路中每一个节点的二次谐波和三次谐波的组合值。若电路有两个交流信号源，该分析能确定电路变量在3种不同频率处的组合值：频率和、频率差以及二倍频与另一个频率的差值。该分析方法主要用于观察在瞬态分析中无法看到的、比较小的失真。（1）失真分析步骤。①在工作区上先创建需进行分析的电路图。②选定“仿真/分析（Analysis）”中的失真分析（DistortionAnalysis）。上一页下一页返回2.3直流稳压电源③确定被分析的电路节点、输入交流信号源。④根据对话框的要求，如图2−57所示，设置参数。⑤按【Simulate】按钮，即可在显示图上获得被分析节点的失真曲线。（2）失真分析对象。①扫描开始频率；②扫描结束频率；③扫描类型；④每进制点数；⑤垂直刻度；上一页下一页返回2.3直流稳压电源⑥若信号有两个频率F1和F2。如果选定该项在F1进行扫描时，F2被设定成该比值乘以起始频率。F2/F1的值在0～1之间。实训及思考题实训项目1：集成运算放大电路的分析实训目的：1.掌握电压表、信号发生器和示波器的使用方法；2.掌握瞬态分析测量放大电路放大倍数的方法；3.掌握交流分析测量放大电路的频率特性曲线的方法。上一页下一页返回2.3直流稳压电源实训内容:（1）分析集成运算放大电路的特点。为了保证集成运放工作在线性放大状态，一般要加负反馈使运放工作在闭环状态。要使运放工作在线性区，就要使运放处于开环或正反馈状态。①集成运放工作在线性放大状态下，其特点是：同相输入端和反相输入端电压相等（虚短），即up=un，流入集成运放的电流为0（虚短），即i=0。②集成运放工作在非线性区，其特点是：流入集成运放的电流为0（虚断），即i=0，当up>un，运放输出为高电平uOH；当up＜un，运放输出为低电平uOL。（2）所需仪器：信号发生器、毫伏表、电压表、电流表、示波器。上一页下一页返回2.3直流稳压电源（3）电路1：反相比例运算放大电路，如图2−58所示。（4）电路1的操作：①集成运放调零，将输入端对地短路，调节电位器Rp，使输出端的直流电压为零。②输入f=100（Hz），ui=0.5（V）的正弦信号，用毫伏表测量输出电压的有效值uo，计算出Au，并与理论值进行比较(理论值Au=)，

用瞬态分析法（或者示波器）观察uo和ui的波形和相位关系，用交流分析法（或者波特图示仪）测量频率特性曲线。上一页下一页返回2.3直流稳压电源③用毫伏表测量A、B两点的电压，比较两点电压的大小，用电流表测量流入集成运放的2脚和3脚的电流。（5）电路2：过零电压比较器，如图2−59所示。（6）电路2的操作：①用毫伏表测量ui悬空时的输出电压uo，并用示波器观察此时的输出波形uo。②输入f=500（Hz），ui=2（V）的正弦信号，用瞬态分析法（或者示波器）观察uo和ui的波形。③改变ui幅值，用交流分析法（或者波特图示仪）测量过零电压比较器的传输特性曲线。④用电流表测量流入集成运放的2脚和3脚的电流。上一页下一页返回2.3直流稳压电源实训思考题：（1）放大倍数的理论计算与测量值有什么差异？正弦输入信号与输出信号波形之间存在什么相位关系？（2）负反馈电阻值的变化对放大器的闭环增益有何影响？（3）过零电压比较器输入正弦波电压时，输出什么样的波形？实训项目2：负反馈放大电路仿真测试实训目的：如图2−60所示，负反馈放大电路中采用了阻容耦合的两级共射放大电路，R11支路引入了电压串联负反馈，电路的性质就从两级阻容耦合共射放大电路变成了负反馈放大电路。（1）测量反馈前后电压放大倍数。上一页下一页返回2.3直流稳压电源先将电路中的反馈电阻R11和电容C6连线去掉，将示波器接到信号输入、输出端，观察比较输入、输出信号波形。为了避免输出信号失真，未接反馈时输入信号幅度为2mV、频率为1kHz，此时输入/输出波形见图2−61，比较输入信号电压幅度（VA=2mV）和输出信号电压幅度(VB=1.5V)，可得电压放大倍数约为Av=750。将电路中的反馈电阻R11和电容C6连线接好，设置输入信号幅度为5mV、频率为1kHz，此时输入/输出波形见图2−62，比较输入信号电压幅度(VA=5mV)和输出信号电压幅度(VB=139mV)，得电压放大倍数约为AV=28，可见引入负反馈后电压放大倍数降低。上一页下一页返回2.3直流稳压电源为了观察负反馈对输出波形失真的改善，可先去掉反馈网络，加大输入信号使输出波形失真，再保持输入信号不变，接入反馈网络，观察此时的输出波形并进行比较。（2）测量反馈前后输入电阻。图2−63为射极跟随器电路(相当于电压串联负反馈)，测量输入电阻时，在输入耦合电容前串联一个阻值为5.1kΩ的电阻R6，在输入信号源Vi和电阻R4上并联数字万用表，设置为交流电压挡以测量交流电压有效值，测出串入电阻R前后电压值，并按式上一页下一页