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13.4 典型电路设计与测试

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66 diapositives · 904 Views · Sep 05, 2014

第 13 章 电路仿真. 目 录. 13.1 虚拟电子实验室 ( Multisim 7). 13.1.1 Multisim 7 基本操作. 13.1.2 Multisim 7 电路仿真分析. 13.2 Multisim 7 基本 分析方法. 13.2.1 直流 工作点分析. 13.2.2 交流分析. 13.3 常用模拟电路分析举例. 13.3.1 单管共发射极放大电路. 13.3.2 整流电路. 13.4 典型电路设计与测试. 本章要点 :.

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  1. 第13章 电路仿真 目 录 13.1虚拟电子实验室(Multisim 7) 13.1.1Multisim 7基本操作 13.1.2 Multisim 7电路仿真分析 13.2Multisim 7基本分析方法 13.2.1直流工作点分析 13.2.2 交流分析 13.3常用模拟电路分析举例 13.3.1 单管共发射极放大电路 13.3.2 整流电路 13.4 典型电路设计与测试

  2. 本章要点: • 1. Multisim 7的基本操作功能，用Multisim 7对低频模拟电 路的仿真 2. 用Multisim 7对电路进行电路进行设计和测试的方法 3. Multisim 7的高级分析方法 本章难点: 用Multisim 7对典型电路的测试和试计

  3. 13.1虚拟电子实验室(Multisim 7) 加拿大IIT(Interactive Image Technologies)公司推出的从电路仿真设计到版图生成全过程的电子设计平台(Electronics Workbench)，该软件是一套功能完善、操作界面友好、使用方便的EDA工具。电子设计平台主要包括Multisim电路仿真设计工具、VHDL/Verilog编辑/编译工具、UltiboardPCB设计工具和ULtirounte自动布线工具。各工具之间的相互关系如图13-1所示。这些工具可以独立使用，也可以配套使用，如果配备了上述全部工具，就可以构成一个相对完整的电子设计软件平台。

  4. 图13-1 电子设计平台EWB各工具之间的关系

  5. 13.1.1Multisim 7基本操作 图13-2 Multisim 7的操作界面

  6. 1. 界面介绍 (1)菜单栏 提供文件管理，创建电路和仿真分析等所需的各种命令。 (2)工具栏 提供常用的操作命令，如图13-3所示，用鼠标单击某一按钮，可完成其对应的功能。 图13-3常用的操作命令

  7. (3)元器件库栏 (如图13-4所示) 图13-4元器件库栏

  8. (4) 仪器仪表栏(如图13-5所示) 图13-5仪器仪表栏

  9. 2.元器件库的使用方法 调用元器件是电路创建中最基本的操作之一，调用元器件经常遇到的操作有选择元器件、移动元器件、旋转元器件和设置元器件参数等。 (1)选择元器件 点击你要找的元器件库栏的图标，打开该元器库。在屏幕上会出现一个对话框，从中选择所需的元器件，如图13-6所示。图中所示为在基本元件库中选择了NPN的双极性三极管，单击OK按钮，三极管则跟随鼠标移动，可以将该元器件放到电路工作区合适的位置。常用的元器件库有13个，如图13-4所示。

  10. (2)选中元器件并对其进行操作 进行电路连接时，经常需要对元器件进行各种操作，如移动、删除、旋转等。用鼠标单击要选中的元器件后并右击，又会弹出一个对话框，点击对话框中相应的操作，就可以对其进行相应的操作。操作结束后，单击电路工作区的空白处，即可取消对该元器件的选择。若要同时选中多个元器件，可以用鼠标左键画出一个矩形区，将所要选中的元器件包含在矩形内，这时用对单个元件操作的方法就可以对选中的多个元器件进行操作。元器件操作对话框的功能，如图13-7所示。

  11. 图13-6选择元器件对话框

  12. 图13-7对元器件操作的菜单

  13. (3)元器件特性参数 元器件被选中后，双击该元器件或者选择菜单Edit下的Properties命令，在弹出的元器件特性对话框中，可以设置或编辑元器件的各种特性参数。一个三极管的特性对话框如图13-8所示，Label选项用于设置元器件的ReferenceID(序号)，Label(标识)和Attributes(属性)，其中Reference ID是系统自动分配的，也可以修改，但修改时应保证Reference ID的唯一性。电路图中是否显示元器件的编号、标识等信息，可以通过菜单Options下的Preferences对话框进行设置。 Display选项用于设置Label(标识)、Value(数值)、Reference ID(序号)和Attributes(属性)的显示方式。显示方式与Options下的Pregerences对话框的设置一致，也可以改变每个元器件的显示方式。Value选项用于编辑元器件的特性、模型参数和引脚封装等。Fault选项可以人为设置元器件的隐含故障，如None(无故障)、Open(开路)、Short(短路)或Leakage(漏电)。

  14. 图13-8元器件特性对话框

  15. 3. 电路图 Options菜单下的Preferences命令用于设置与电路显示方式相关的选项。选择Options | Preferences命令，出现如图13-9所示的对话框，每个选项下又有各个不同的对话内容。 (1) Circuit选项卡 Circuit选项下面有两个选项组，Show选项组决定是否显示电路参数，Color选项组决定电路显示的颜色。Show选项组的显示控制如下。 Show component label：是否显示元器件的标识文字。 Show component reference ID：是否显示元器件的序号。 Show node names：是否显示节点的编号。 Show component values：是否显示元器件的数值。 Show component attribute：是否显示元器件的属性。

  16. Color选项组用来改变电路显示的颜色，如果选择自定义方式，Color选项组中的5个按钮就会被激活，用来定义电路工作区的背景、导线和元器件的颜色。Color选项组用来改变电路显示的颜色，如果选择自定义方式，Color选项组中的5个按钮就会被激活，用来定义电路工作区的背景、导线和元器件的颜色。 (2) Workspace选项卡 Workspace选项卡有3个选项组。其中，Show选项组实现电路工作区显示方式的控制：Sheet size选项组实现图纸大小和方向的设置；Zoom level选项组实现电路工作区显示比例的控制。显示方式的控制如下。 Show gird：电路工作区是否显示格点。 Show page bounds：电路工作区是否显示页面边界。 Show title block：电路工作区是否显示标题栏。

  17. 图13-9器件特性对话框

  18. (3) Wiring选项卡 Wiring选项卡有两个选项组。其中，Wire width选项组设置连接线的线宽；Autowire选项组控制自动边线的方式。自动连线的控制如下。 Autowire on connection：选择是否自动连线。 Autowire on move：选中该项，移动元器件时，连接线可以自动保直/水平走线，否则，移动元器件时，其边接线可能出现斜线。

  19. (4) Component Bin选项卡 Component Bin选项卡有两个选项组。Symbol standard选项组用来选择元器件的符号标准，有两种符号标准可以选择：ANSL美国标准元件符号和DIN欧洲标准元件符号；Place component mode选项组选择元器件的操作模式，元器件的操作模式有以下3种。 Place single component：选中该选项时，从库里取出元器件，只能放置1次。 Continuous placement for multi-section part only(Esc to quit)：该选项被选中时，表明一个封装里有多个元器件，如一个74000有4个双输入与非门，可以连续置入元器件，按Esc键退出该项操作。 Continuous placement(Esc to quit)：该选项被选中时，从库里取出元器件，可以连续放置，按Esc键退出该项操作。

  20. (5) Front选项卡 Front选项卡可以选择字体，选择字体的应用项以及应用范围等选项组。 ① Front选项组下可以选择Front(字体)、Front Style(字形)和Size(字号)。 ② Sample选项组下显示设定的字体。 ③ Apply to选项组选择字体的应用范围，有两种选择：Entire circuit和Selection，前者应用于整个电路图，后者应用于选取的项目。 ④ Change All选项组选择字体应用的项目，项目选择如下。

  21. Component reference ID：选择的字体应用于元器件序号。 Component values and lab：选择的字体应用于元器件数值和标识。 Component attributes：选择的字体应用于元器件属性。 Pin names：选择的字体应用于引脚名。 Node names：选择的字体应用于节点名。 Schematio text：选择的字体应用于电路图中的文字。 (6) Miscellaneous选项卡 Miscellaneou选项卡控制文件备份方式等。其中Auto-backup选择自动备份的时间；Circuit Default Path选择电路存盘的路径；Digital Simulation Setting选择数字仿真的两种状态：Idea理想仿真和Real真实状态仿真，前者可以获得较高的仿真速度，后者可以获得更为精确的仿真结果。

  22. (7) Rule Check选项卡 Rule Check选项卡用来完成ERC(电路规则检查)功能，创建和显示详细的检测报告，报告给出电路连接错误，如电源与输出引脚直接连接错误、未连接引脚错误和重复ID错误等。 (8) PCB选项卡 PCB选项卡选择与制作电路板相关的命令，如接地选择、印制板层数选择等。 Ground Option为接地选择，如果选中Connect digital ground to analog ground，则表明数字地与模拟地相连。 Export settings输出设置，Rename nodes为节点重新命名，Rename components为元器件重新命名。 Number of copper layers设置印制板的层数。

  23. (9) Default对话框 图13-9所示Preference命令对话框的左下角有两个按钮。Set as Default按钮将当前设置存为用户的默认设置，影响新建电路图；Restore Default按钮将当前设置恢复为用户的默认设置。OK按钮不影响用户的默认设置，只影响当前电路图的设置。

  24. 4. 导线 (1)导线的连接 鼠标指向一个元器件端点，使其出现一个小圆点，按住鼠标左键并移动，会出现一根导线，将鼠标移到另一个元器件端点，使其出现小圆点，释放鼠标，则两个元器件之间用导线连接完成。导线自动选择合适的走向，不会与其他元器件出现交叉。 (2)导线的删除 用鼠标点击准备删除的导线，导线被选中后，在导线的两端会出现小方块，按Delete键，选中的导线将会被删除。出现小方块后，用鼠标指向导线时将出现双箭头，此时按住鼠标左键拖动，可以修改导线。

  25. (3) 导线的颜色 根据需要可以将导线设置成不同的颜色。用鼠标指向导线，单击鼠标右键，在出现的菜单中选择Color，选择合适的颜色。 (4) 导线的连接点 在Place菜单下选择Junction命令，可以放置连接点，可以将连接点直接插入导线中。连接点是小圆点，连接点最多可以连接来自4个不同方向的导线 (5) 在导线中间插入元器件 我们可以非常方便地实现在导线中间插入元器件。选中元器件，用鼠标将其拖至导线上，释放鼠标即可。

  26. 选择Place/HB/SB Connecter命令，屏幕上会出现输入/输出符号“ ” ，将该符号与电路的输入/输出信号端进行连接。子电路的输入/输出端必须有输入/输出符号，否则无法与外电路进行连接。 5. 输入/输出 6. 仪器仪表使用方法 单击右边所需仪器仪表的图标，把它放到电路工作区，这时在电路工作区会出出一个万用表图标，双击它便会弹出仪器仪表的控制面板，单击控制面板上的Set按钮将会打开仪器仪表的参数设置窗口。

  27. 图13-10 万用表图标、面板和参数设置 (1) 万用表的使用 如图13-10所示，在万用表控制面板上可以选择电压值、电流值、电阻以及分贝值。参数设置窗口，可以设置万用表的一些参数。

  28. 图13-11 函数信号发生器图标和面板 (2) 函数信号发生器 如图13-11所示，在函数信号发生器中可以选择正弦波、三角波和矩形波三种波形，频率可在1～999范围内调整。信号的幅值、占空比、偏移量也可以根据需要进行调节。偏移量指的是交流信号中直流电平的偏移。

  29. 图13-12 瓦特表图标和面板 (3) 瓦特表 该仪表用来测量电路的交直流功率，注意电压端应与测量电路并联，电流端应与测量电路串联，其面板如图13-12所示。

  30. 图13-13 双通道示波器图标和面板 (4) 双通道示波器 其操作方法与实际示波器基本相同，在示波器面板上，可以直接点击示波器各功能项进行参数选择，如图13-13所示。

  31. 图13-14 四通道示波器图标和面板 (5) 四通道示波器 其使用方法与双通道示波器完全一样，只是多了一个通道控制按钮，图 13-14所示。

  32. 图13-15 波特图示仪图标和面板 (6)波特图示仪 利用波特图示仪可以方便地测量和显示电路的频率响应，如图13-15所示。要注意的是在电路的输入端要接交流信号。

  33. 图13-16 波特图示仪示例 图13-16是用波特图示仪对由运放构成的低通滤波器的测试结果，从图中可以得知该滤波器的幅频特性和相频特性。

  34. 图13-17 频率计及使用 (7) 频率计 主要用来测量信号的频率、同期、相位、脉冲信号的上升沿和下降沿。面板、图标如图13-17所示。

  35. 图13-18 IV分析仪及其使用 (8) IV分析仪 IV分析仪用来分析晶体管的伏安特性曲线，如二极管、NPN管、PNP管、NMOS管和PMOS管等器件。IV分析仪相当于实验室的晶体管图示仪，需要将晶体管与连接电路完全断开，才能进行IV分析仪的连接和测试，如图13-18所示。

  36. 13.1.2 Multisim 7电路仿真分析 1. 仿真实验法 应用Multisim 7进行仿真的基本步骤如下。 (1) 启动Multisim 7 双击Multisim 7图标进入Multisim 7主窗口。 (2) 创建实验电路 连接好电路和仪器，并保存电路文件。

  37. (3)仿真实验 ①设置仪器仪表的参数。 ② 运行电路：单击主窗口的启动开关O/I按钮，电路开始仿真，若再单击此按钮，则仿真实验结束。若要使实验暂停，可单击主窗口的暂停键，在开关旁边再单击就可重新恢复电路运行。 ③ 观测记录实验结果。实验结果也可存储或打印输出，并可用word的剪贴板输出。

  38. 2. 电路分析法 Multisim 7提供了直流工作点分析，交流频率分析，瞬态分析，失真分析，参数扫描分析和温度扫描分析等共十多种电路分析功能。 Multisim 7的仿真分析工具很多，可以对电路进行直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、失真分析、噪声分析和直流扫描分析，我们这里只介绍两种常用的分析工具，直流工作点分析和交流分析，对于其他的分析，其使用方法差不多，大家只要明白功能对话框中各参数的意思就可以了，也可查阅其他一些书籍对其进行了解。

  39. 图13-19 分压式共发射极放大电路 13.2 Multisim 7基本分析方法 13.2.1直流工作点分析 直流工作点分析是将电路中的电容开路，电感短路，计算电路的直流工作点，给电路设置一个直流工作点至关重要，它是保证电路正常放大的前提条件。 1. 构建电路 首先在工作区创建一个电路，如图13-19所示。

  40. 图13-20 直流工作点分析对话框 2. 启动直流工作点分析工具 (1) 启动直流工作点分析对话框，方法是执行菜单命令 Simulate | Analyses | DC Operating Point，则会出现如图13.20所示的对话框。

  41. (2)设置直流工作点对话框。 直流工作点分析对话框包括Output variables(输出变量)、Miscellaneous Options(各种性质选项)和Summary(概要)三个选项卡，Output variables选项卡用于选定需要分析的节点，页面左侧Variables in circuit栏内列出电路中各节点变量和流过电源的电流变量；页面右侧Selected variables for栏用于存放需要分析的节点。在左侧Variables in circuit中选择需要分析的变量单击Add加到Selected variables for栏中，然后单击Remove按钮，该变量将会回到左侧Variables in circuit栏中，如图13-20所示。

  42. 图13-21 Miscellaneous Options选项卡

  43. 图13-22 Summary选项卡 Miscellaneous Options(各种性质选项)选项卡如图13-21所示，主要来分析其对应的选项功能。Summary选项卡如图13-22所示，经过上面设置后，单击Apply(应用)，设置就会保存下来，如果单击Cancel(取消)设置就会被取消，如果单击Simulate(仿真)按钮，则启动直流工作点分析。

  44. 3.检查分析结果 图13-23 直流工作点的测试结果 直流工作点的测试结果如图13-23所示。通过显示的数值就可以确定Q点是否合适，如果不合适，可以调整电路参数，再次运行直流工作点分析，直到合适为止。通过这种方法，可以观察电路中的某个元件参数的改变对电路直流工作点的影响

  45. 13.2.2 交流分析 交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析，它用于计算电路的幅频特性和相频特性，是一种线性分析方法。Multisim 7在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线元件做线性处理，得到线性化的交流小信号等效电路，然后使电路中的交流信号源的频率在一定范围内变化，相当于一个扫频信号源，并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。在进行交流分析时，电路工作区中自行设置的输入信号被忽略。也就是说，无论给电路的信号源设置的是三角波还是矩形波，在进行交流分析时，都将自动设置为正弦波信号，并分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲线。

  46. 图13-24 交流分析对话框 1.构建电路 这里我们仍采用单管放大电路作为实验电路，如图13-19所示。这时电路的直流工作点的分析结果在上节中分析可以得知。 2.启动交流分析工具 (1) 启动直流工作点分析对话框，方法是执行菜单命令Simulate | Analyses | Ac Analysis，则会出现如图13-24所示的对话框。

  47. (2) 交流对话框包括频率参数(FrequencyParameters)、输出变量(Output variables)、其他各种性能选项(Miscellaneous Options)和概要(Summary)四个页面。选择各个页面调整合适的各项参数，运行仿真开关Simulate，屏幕就会显示AC Analysis窗口，同时绘出交流分析曲线。

  48. 图13-25 交流分析测试曲线 3.检查分析结果 交流分析测试曲线如果13-25所示。通过测试结果得到的幅频和相频曲线，就可得到该放大电路能正常放大的频率范围，可以近似得到该放大电路的放大倍数和上、下限截止频率及通频带。

  49. 图13-26 固定偏流共发射极放大电路 13.3 常用模拟电路分析举例 Multisim 7可以用来分析典型电路，像大家在电路基础中所学的电路，也可用来分析模拟电路和数字电路，使用该工具对各种电路分析非常方便，我们在这一节中主要介绍其在模拟电路中分析的方法。 13.3.1 单管共发射极放大电路 1.分析要求 (1)建立单管共发射极放大电路，电路如图13-26所示。

  50. 1.分析要求 (1)建立单管共发射极放大电路，电路如图13-26所示。 (2)分析共发射极放大电路的静态工作点。 (3)分析共发射极放大电路的放大倍数。 (4)分析共发射极放大电路的频率特性。