Mutisims9在模拟电路中的应用

1、第 4章 Mutisims9在模拟电路中的应用 模拟电路是电子专业学习专业课的基础，主要内容包括了半导体器件如：二极管、三极管、晶闸管等的工作原理，分立放大电路、集成运算放大器以及滤波电路的分析和设计等主要内容。在本章中，将结合上述内容来介绍9的使用方法，以便帮助读者在熟练使用9的基础上，快速地使用9来分析和设计电路。41 常用半导体器件411二极管仿真测量9在元件库中提供了几百种不同型号的二极管。二极管传统的测试方法有电压电流表和万用表测试法、晶体管图示仪测试法，在9中也同样可以用虚拟电压电流表和虚拟万用表法及IV分析仪法测试二极管。1用虚拟电流、电压表测量二极管在电路工作窗口中建立如图4-

2、1所示的二极管测量电路。这是PN结或二极管加正向电压的特性演示左侧为3D理想二极管，右侧为真实二极管1N4148。先通过 A、B键使J1、J2两个开关打开，单击Simulate按钮，开始仿真，按下 A键，电压表 U1显示 D1极管两端的正向压降，电流表 U2显示流过 D1二极管的正向电流。按下 B键，电压表 U3显示二极管 IN4148两端的正向压降，电流表U4显示流过二极管IN4148的正向电流。正向压降较小，正向电流较大，称为二极管的正向导通。数据如图4-1中电表所示。图4-1 二极管加正向电压仿真电路将图4-1中的二极管反向连接，将电压表改接（电压表内阻会引起测量误差），就组成图4-2所

3、示二极管加反向电压电路。对PN结或二极管加反向电压做仿真演示，数据如图4-2中电表所示。反向压降很大，反向电流极小，称为二极管的反向截止。 图4-2 二极管加反向电压仿真电路按照图4-1和图4-2 电路，多次改变电阻R1、R2的阻值，可测量到一组电压与电流的数值，用这些数据在坐标纸上可描绘出一条曲线，这就是二极管的特性曲线。 2用IV分析仪测量二极管IV分析仪可以很方便地测量常用半导体器件的伏安特性，图4-3是IV法测二极管伏安特性电路，其左图中的二极管为3D理想二极管，右图中的二极管为真实二极管IN4148。双击IV分析仪图标，打开分析仪面板。按下述方法进行设置：Components栏，选择

4、Diode；Current Range（A）区，选择 Log，设定适当的电流范围；Voltage Range（V）区，选择Log，设定适当的电压范围。打开仿真开关，即可观察到二极管的正向特性曲线。拖动读数指针，可以测出具体数据。如图4-4所示。图4-3 IV分析仪测量二极管图4-4 IV分析仪面板及测量的二极管特性曲线412三极管仿真测量1用虚拟万用表测量三极管图4-5是用虚拟万用表测晶体三极管。用万用表的电阻挡，对比各电极间的正反向电阻，可以测量晶体管，通常使用指针式万用表。打开仿真开关，前4个图用于判断基极b和确定晶体管的类型，后两个图用于判定集电极c和发射极e，还可以估测放大倍数。实际测

5、量时：首先判定基极b。具体方法是：先将万用表的某一表笔固定接晶体管的某一管脚，用另一表笔分别接另外两支管脚，测它们的电阻，如果测得的数值都很大或都很小（如图中万用表XMMI、XMMZ的读数或XMM3、XMM4的读数）；再将表笔交换，重复上述测量，证实测得的数值与先前的测量完全相反，那么，可断定这支管脚是b。如果红表笔接b时测得图4-5用虚拟万用表测三极管的数值大，黑表笔接b时测得的数值小，则断定此晶体管是NPN型的。先假定另外两支管脚中的某一支是C，则按第5种接法测量c、e之间的电阻，再在c、e间接一个几十千欧的电阻，重复测量，看电阻值的变化。如果第一次像万用表XMM5一样数值很大，第二次像X

6、MM6那样数值较大，可判定这一假设是正确的。1用IV分析仪测量三极管图4-6 是IV法测量晶体管的伏安特性。左侧3只为3D理想管，右侧3只为真实管。 2N2222A、ZSA1015和BSP149是常见的几种晶体管。按图4-6所示建立测量电路，双击IV分析仪的图标，按下述进行设置：Components栏：第l、4台 IV仪选择BJT NPN，第2、5台 IV仪选择BJT PNP，第3、6台 IV仪选择 NMOS。Current Range（A）区和 Voltage Range（V）区均选择 Lin，F和I值均不需设定。打开仿真开关，即可以对比观察它们的伏安特性，如图4-7所示，拖动读数指针还可以

7、进行精确测量。图4-6 IV法测量晶体管伏安特性图4-7 IV法测量NPN管伏安特性曲线42 放大电路分析放大电路是构成模拟电子电路的基本单元，分析电子电路首先要从它的基本单元着手。421单管放大电路仿真测量晶体管单管放大电路是最常见的低频小信号放大电路，它的实质是利用小信号来控制大信号。放大器是电子器件中不可缺少的部分，而晶体管单管放大电路是学习大信号放大器的基础。根据晶体管单管放大电路的组成原理，在Multisim9的电路窗口中建立如图4-8所示的放大电路。对于此电路可以进行如下的常见的电路分析方法。图4-8 单管共发射极放大电路1 直流工作点分析单击Simulate/Analysis/D

8、C Operation Point Analysis，在弹出的对话框中将全部电压节点都作为输出节点，单击Simulate按钮，开始仿真。结果如图4-9所示。图4-9单管共发射极放大电路直流工作点分析2动态分析（1）瞬态分析瞬态分析是电路的响应在激励的作用下在时间域内的函数波形。在这里利用示波器来观测晶体管单管放大电路的输入输出信号波形的比较。结果如图4-10所示。在图4-10中，可以看到晶体管单管放大电路的输入与输出之间，在相位上基本是反相的关系，但是存在一定的相位误差。图4-10单管共发射极放大电路瞬态分析（2）交流分析交流分析就是对电路的交流频率响应分析。单击 Simulate/Analy

9、sis/AC Analysis，将节点4和5作为输出节点，其余保持默认设置。交流分析的结果如图4-11所示。图4-11单管共发射极放大电路交流分析在交流分析的幅频和相频响应曲线中，只是简单地列出了晶体管单管放大电路的响应曲线，如果想知道比较确定的游标数值，可以单击图中的按钮。本例中，晶体管单管放大电路的输入与输出的相位差大约为18.8º。 3放大倍数的分析放大倍数是单管放大电路的重要的参数指标，表征了小信号对大信号控制能力的强弱。在图4-8中加入相应的测量仪表，如图4-12所示。图4-12单管共发射极放大电路放大倍数的分析从图4-12中的仪表U2和U3中，可以大概地估算单管放大电路的

10、放大倍数为100左右。在本例中，R2是滑动变阻器。9中的滑动变阻器使用十分方便，在Multisim9的元件库中添加滑动变阻器后，其默认值为总阻值的 50，如果想要在运行中随时方便地改变滑动受阻器的阻值，可以采用下述办法：在电路窗口中双击滑动变阻器的符号，弹出如图4-13所示的对话框。这个对话框与前面遇到的其他元件的对话框基本一致。该对话框中的 Label、Display、Pin Info、Variant 4个选项卡与前述的完全一致，只有 Value选项卡与其他元件不同。在 Value选项卡中，Keys下拉列表框用于设置控制滑动变阻器变化的快捷键，其中有阿拉伯数字和英文字母等选项。Increme

11、nt选项用于设置步进增量，可以设置任意值。 本例中，为了仿真运行方便，设置控制R3阻值变化的快捷键为A键，而Increment项保持默认设置：5%。在仿真运行过程中，可以不断地按Space键，以改变滑动变阻器的阻值。在观察两个电压表中读数的变化的同时，双击虚拟示波器以观察波形的变化。如果波形出现饱和或截至失真，则需要重新调整R3，直至波形不失真为止。按Shift+A可反向调整滑线变阻器R3。图4-13 元件设置对话框4输入电阻和输出电阻的求解在一般的模拟电子线路的分析中，输入电阻和输出电阻的求解需要画出交流等效电路后，利用电路分析中的知识求解。但是，Multisim9为用户提供了快捷的方式，使

12、用户能够迅速、方便地求解出输入电阻和输出电阻。对图4-12单管共发射极放大电路进行仿真，得到图中所示的输入交流电压、交流电流和输出交流电压的有效值。根据输入电阻的定义：，可以立即计算出输入电阻的数值。输出电阻的计算稍显复杂，根据输出电阻的定义：。其中，U。为单管放大电路负载开路时的输出电压，而UL是单管放大电路接入负载时的输出电压。所以图4-12中的交流电压表U3应该先测量电阻R5断开时的电压，然后接入电阻R5，再继续测量。两次测量的结果按照上述公式计算，即可得到输出电阻的数值。5放大器频率特性测量放大器的频率特性是放大器的一个重要指标，是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率之间的关系曲线

13、。通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的0.707AV时所对应的频率分别称为下限频率和上限频率，则通频带。放大器的频率特性测量有两种方法，一种是通过前面介绍的交流分析得到的结果。在如图4-11所示的交流分析响应曲线上，可以看到输出幅度随频率变化的情况，根据频率特性的概念，利用游标可分别找到上下限的截止频率。第二种是使用仪表库中的波特图示仪进行测量。将的波特图示仪按图4-14所示接入放大器电路中，双击波特图示仪图标，打开分析仪面板，按下述方法进行设置：Mode栏，选择Magnitude（幅频特性）；Horizontal区，选择 Log；Vertical区，选择Log。设定适当的水平扫

14、描频率范围和垂直幅度衰减范围。打开仿真开关，即可观察到如图4-15特性曲线。拖动游标指针，可以测出具体数据。图4-14 放大器频率特性测量图4-15 利用波特图示仪测量放大器的频率特性对于同一个仿真电路而言，对其进行交流分析和采用虚拟仪器分析的效果是等效的。无论是用那种方法观测仿真结果，其数据都是真实可靠的。422定制放大电路 在4.2.1中，已经介绍了对己知电路的性能分析方法，在Multisim9中还提供了根据用户需要定制单管放大电路的功能，用户可以根据实际参数自行设计各种参数值不同的单管放大电路。单击 Tools/CE BJT Amplifier Wizard，在弹出的对话框中可以按照事先

15、选定的参数来完成设置，如图4-16所示。图4-16定制共射单管放大电路对话框 在图4-16中，共有5个选项区。 （l）BJT Selection区：用于进行晶体管自身重要参数的设置。l Beta of the BJT：设置晶体管的单管放大倍数。其数值将可能改变 Multisim9的元件模型值。l Saturated Vbe：设置基极和发射极在饱和导通时的导通饱和电压。对于半导体器件来说，一般都设置为0.7V左右。（2）Amplifier Specification区：用于进行信号源自身参数的设置。l Peak input voltage：设置交流信号源的峰值电压。l Input source

16、frequency：设置输入的交流激励源的频率值。l Input source resistance：设置输入的交流激励源的内阻的大小。（3）Quiescent Point Specification区：用于静态工作点的选择设置，共有 3个单选项。l Collector current：设置静态工作点的集电极电流ICQ。l Collector-emitor voltage：设置静态工作点的集电极和发射极的电压差值 VceQ。l Output voltageSwing：设置输出电压的变化幅度。 以上3个选项为单选项，选中任何一个后，都将屏蔽其他选项。Multisim9根据图4-16中的静态工作点

17、稳定电路的ICQ和VceQ等参数的计算方法，当用户选定其中一个选项后，自动计算出其他两个单选项的值。为了方便起见，通常选择 Collector current或Collector-emitor voltage的值来定义静态工作点，从而定制电路。（4）Load Resistance and Power Supply区：用于负载电阻和直流源的参数设置。l Power supply voltage：设置提供直流偏置的直流电源的大小。l Load resistance：设置负载电阻的大小。（5）Amplifier Characteristics区：用于放大特性的结果显示。l Signal voltag

18、e gain：显示电压放大倍数。其他参数设定完后自动显示。l Signal current gain：显示电流放大倍数。l Maximum voltage gain：显示最大电压放大倍数。在本例中，按照图4-16中所示的参数定制一个晶体管单管共射放大电路。参数设置完毕后，单击Verify按钮，以便检验图4-16中所设置的参数是否符合电子线路的基本要求。如果存在参数设置不当的问题，Multisim9将会弹出新的对话框指出参数设置不合理，并简要提示改进方法。如果参数设置合理，用户就可以单击Build Circuit按钮，然后，新的电路将随着鼠标的移动出现在电路窗口中，单击鼠标，完成放置。按照图4-

19、16设置的单管共射放大电路如图4-17所示。图4-17定制的单管共射放大电路同样，可以对图4-17中的定制电路进行静态和动态性能的分析。423 Multwim9的电路后处理功能Multisim9提供了专门用于对仿真结果进行后处理的功能，可以将待观测的参数值用公式编辑出来，显示在Multisim9中。单击 Simulate/Postprocessor，弹出如图4-18所示的对话框。图4-18后处理程序对话框 在图4-18所示的对话框中，共有 Expression和 Graph两个选项卡，现在分别一介绍如下。Expression选项卡：用于编辑输出参数用节点电压或支路电流表示的数学表达式。其中各参

20、数含义如下所述。（l）Select Simulation Result：用于列出进行过电路仿真分析的电路名称以及分析的项目和次数。本例中，电路名为电路1的仿真电路进行了瞬态分析。ac02表示仿真分析的次数。使用Multisim9的后处理功能之前，首先要进行某种仿真分析，本例选择瞬态分析来分析图4-17所示的电路。 （2）Variables：将图4-17 所示的电路中节点1、3、4、5、6在瞬态分析中设置为输出节点后，这些节点将自动出现在Variables下拉列表框中。 （3）Functions：设置某种数学运算。在Functions下拉列表框中，给出了编辑代数和逻辑表达式所必需的各类运算符号。

21、 在本例中，如果想将节点4列入表达式，则在Variables项中，首先选中v（4），然后单击下方的 Copy Variable to Equation按钮，则下方的 Expressions框中出现 v（4），用同样的方法将其他节点和运算符号列入 Expressions框中，图4-18中表达式左边的常数，需要通过单击表达式所在的行来输入。 编辑完表达式后，单击Add按钮，将刚才所编辑的表达式保存起来。然后，开始下一个表达式的编辑。Delete按钮用于将不需要的表达式删除。图4-19所示为 Graph选项卡。图4-19 Graph选项卡 （l）Page框：用于决定是否显示后处理的结果。单击Pape

22、框右侧的Add按钮，出现如图4-19所示的情形。其中，Display项用于设置是否显示后处理的结果。 （2）Diagrams框：Type项用于设置后处理的结果的显示模式，有 Graph和 Chart两种模式，单击Type项下面的选项设置，就可以进行设置。所有的设置完成后，单击图4-19中的Calculate按钮，则弹出如图4-20所示的结果。图4-20后期处理曲线该图形反映的是在进行交流分析后，单管共射放大电路的输出曲线经过数学运算后所得的增益特性曲线。在图4-20中，单击按钮，则出现如图4-21所示的界面。图4-21后期处理数据表 在图4-21中显示了比较多的数据。它们分别是图4-20中游标

23、1和游标2移动到图4-20中的某点时所对应的X轴和y轴的值。x1和y1是游标1所对应的数值。X2和y2是游标2所对应的数值。 当游标1移动到图4-20所示的位置时（图4-21中的x1已经给出了所在位置的x轴数值），所对应的y轴的数值，即表达式的值也已经给出。同样，游标2移动到图4-20所示的位置时（图4-21中的x2已经给出了所在位置的x轴数值），所对应的y轴的数值，即表达式的值也已经给出。 dx表示x2与x1的横坐标的差值。移动游标1和游标2可以快速地读出图4-20中的任意坐标数值。43 反馈放大电路分析反馈在电子线路中至关重要，它的存在对于电路的各种性能和参数指标都有重大的影响。按照反馈的

24、种类区分，反馈可以分为正反馈和负反馈、电压反馈和电流反馈、串联反馈和并联反馈、交流反馈和直流反馈。这些不同的反馈对电路的稳定工作和特性起到了重要的作用。例如：负反馈能够使放大电路的放大倍数的稳定性提高；负反馈还能够展宽频带；串联负反馈使输入电阻增大，电压负反馈能使输出电阻减小等。431电压串联负反馈电路在电路工作区建立如图4-22所示的电路。该电路是电压串联负反馈电路。图4-22电压串联负反馈放大电路在图4-22中，负反馈支路增加开关J1，该开关受到空格键的控制。当开关J1断开时，不存在反馈。当J1闭合后，接入负反馈。通过观察接入负反馈和不接入负反馈交流分析的波形对比，以及读到的数据，可以明显

25、地看出，引入电压串联负反馈后，电路的电压放大倍数下降、频带展宽。使用4.2.1节介绍的方法，还可以得出输入电阻的数值变大，输出电阻的数值减小。得出的结论是：牺牲放大器的放大倍数，提高了放大器的性能，这是希望看到的情形。图4-23是接入负反馈和不接入负反馈所做的交流分析结果，左图为不接入负反馈的交流分析数据，右图为接入负反馈的交流分析数据。两组数据均是在测量上下限截止频率时的数据。读者可根据两组数据做出定量的分析。 图4-23交流分析数据432电流并联负反馈电路图4-24是电流并联负反馈电路，由集成电路组成的电流并联负反馈电路，也可以用上述方法进行各种观察和测量，但是必须用两台示波器，因为输出信

26、号与输入信号不共地。图4-24电流并联负反馈电路44 差分放大电路分析差分放大电路是基本的直接耦合放大电路，利用两只参数相同的晶体管和相同的集电极电阻，可以获得较高的共模抑制比。长尾式差分放大电路在不减小差模放大倍数的前提下，大幅度提高共模抑制比。该电路还有输入阻抗高，稳定性好的特点，是高性能的直接耦合放大电路，通常用在放大电路的输入级。在电路窗口构建长尾式差分放大电路如图4-25所示，XSC1为四通道虚拟示波器。图4-25长尾式差分放大电路图4-26和图4-27分别为图4-25所示长尾式差分放大电路的直流静态工作点分析和瞬态分析结果。图4-26直流静态工作点分析结果图4-27瞬态分析结果。4

27、5 运算放大电路分析在模拟电路的各种运算电路中，需要输出和输入的模拟信号之间存在一定的数学运算关系。由于集成运算放大器的放大倍数很高，并且引入深度负反馈后可以实现各种性能良好的数学运算电路，所以在分析线性电子线路中的运算电路时，经常引入集成运算放大器并将其视为理想的元器件。常用的运算电路有加、减法等基本运算电路，积分和微分运算电路以及模拟乘法器等，下面简要介绍Multisim9在线性电子线路的运算电路中的应用。411 比例运算电路比例运算电路的输出电压和输入电压之间存在着比例运算关系，常用的比例运算电路有同相比例运算电路和反相比例运算电路。本小节中，主要介绍反相比例运算电路。在电路窗口中建立如

28、图4-28所示的仿真电路，并在输入和输出端连接交流电压表以及示波器以观察测量结果。在如图4-28所示的电路中，可以认为集成运算放大器工作于线性区。因此，对于图4-28所示的反相比例放大电路而言，可以利用虚断和虚短的特性来分析其功能。对于理想运算放大器而言，其放大倍数可以认为是无穷大，运算放大器的输入电流为零，所以可把两个输入端看做为虚开路；理想运算放大器的两个输入端之间的电压近似相等（U5U6），所以可把两个输入端之间看做虚短路。经过上述分析，可以知道对于图4-28所示的电路，其电压放大倍数为。单击Simulate按钮，启动仿真，得到如图4-28所示的结果。其输出与输入的关系为10倍，并且从波

29、形看到输入与输出反相。图4-28比例运算电路412 基本运算电路利用集成运算放大器，不仅可以进行比例运算，还可以进行加、减、乘、除等四则运算。1反相比例求和电路如图4-29所示为集成运算放大器组成的反相输入求和运算电路。同上例中的反相比例运算放大器一样，集成运放工作于线性区。其中，“”、“一”两个输入端均有虚短和虚断两个特性。因此，可以非常容易地推算出输入电压Ui与输出电压Uo的关系为：根据图4-29中给定的电阻值可以很容易地得出输出电压为-1.6V；从电压表的读数中也可以证实这一点。图4-29比例求和电路2加减比例求和电路图4-30是加减比例求和电路，在运算放大器的正、负输入端分别输入两组直

30、流电压信号。该电路的输入电压Ui与输出电压Uo的关系为：因为电路中R1=R2=R3=R4=R5，所以，。根据图4-30中给定的电阻值，由上式计算出，仿真得到的输出电压为-0.498V，两者结果相符。图4-30加减比例求和电路3积分运算电路积分电路是应用很广泛的模拟信号运算电路，它可以产生各种波形。用电容器替换反相比例运算电路中的反馈电阻，就可构成积分运算电路。在9的电路窗口中建立如图4-31所示的电路。在输入信号源上串联一个常闭开关S1，在电容两端并一个常开开关J1，J1开关用于电容放电。接通Simulate按钮前，S1处于断开状态，J1处于接通状态。单击Simulate按钮，开始仿真。单击S

31、pace键，使S1闭合J1断开，电路开始做积分运算。图4-32为积分电路的积分波形。图4-31积分电路图4-32示波器上的积分曲线4微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算，而将积分电路中的反馈电容和电阻交换位置，即可以由积分运算电路变为微分运算电路。因此，可以很方便地得到图4-33所示的微分运算电路。这里采用Multisim9的瞬态分析来观测最终的仿真结果。图544的微分电路信号输入端的电阻用于去除高频干扰。单击Simulate按钮，启动仿真，得到如图4-34所示的结果。将信号发生器设置为频率为1kHz、电压幅度为l0mV的方波电压，根据微分运算的法则，将得到正/负脉冲。图4-33微分运算电路

32、图4-34微分电路输出波形413 创建子电路在实际中，经常将两个或两个以上的集成运算放大器联级使用。比如图4-35所示的电路。随着集成运算放大器级数的增多，在的仿真电路窗口中的元器件会越来越多，从而造成元器件之间的连线非常密集，一旦出错，检查起来很麻烦。图4-35的二级集成运算放大器电路的电路功能和电路结构非常类似。这样，利用Multisim9提供的子电路创建功能来将电路功能与电路结构类似的电路制作成子电路。用以将比较庞大的电路分成多个较小的电路，既可以简洁电路，又便于管理，是电路设计中的常用手段。图4-35两级同相比例放大电路将图4-35中的两个完全相同的同相比例放大电路中的一个封装成子电路

33、。封装时先将图中的电源和地符号去掉，然后在电路图中添加连接器。单击Place/Connectors，然后选择HB/SC Connector，然后在仿真电路窗口中的适当位置完成元件的放置。将HB/SC Connector与去掉电源和地符号的仿真电路图相连接，如图4-36所示。完成HB/SC Connector与仿真电路的连接后，在仿真电路窗口的适当位置单击鼠标左键，然后将图4-36中的所有元器件全部选中。这时，所有被选中的元器件均呈现蓝色。图4-36子电路形式Place菜单中的 Replace by Subcircuit项此时已经被刚才的操作所激活。然后，单击Place/Replace by S

34、ubcircuit，弹出图4-37所示的对话框。 图37子电路对话框 图4-38子电路符号在图4-37所示的对话框中输入正在编辑的子电路的名字，该对话框只能输入字母或者数字，而不能输入汉字。本例中，将正在编辑的子电路取名为opm1，单击OK，完成Subcircuit Name对话框的设置。这时，有一个虚影随着鼠标移动，单击鼠标，完成设置。结果如图4-38所示。图4-38是同相比列放大电路的对应的子电路在Multisim9中的电路符号。整个电路只有一个方框和几根外接的连线。按照同样的方法，将图4-35中所示的电路也编辑成子电路，并与图4-38相连接。两个子电路相连接的电路图如图4-39所示。子电

35、路之间的连接和以前连接普通元器件的方法完全一样。图4-39两个子电路相连接在图4-39中，为了更直观地检验上述操作的正确性，加入交流电压源，并将其有效值（RMS）设置为100mV，频率保持不变。接入示波器以检验输出信号的波形。单击Simulate开始仿真。仿真结果（即示波器的显示波形）如图4-40所示。图4-40仿真结果从图4-40所示的示波器所展示的结果中看，示波器红色游标1所移动到的位置处的幅度值已经通过双踪示波器显示屏正下方的白色显示区域显示出来，A和B两个通道即输出值与激励值分别为12.739V和1.414V（最大值）。这两个数值可以充分证明：在Multisim9中对于同一个仿真电路而

36、言，无论采用分立器件的常规表示方法还是采用刚刚介绍的子电路表示方法，其结果都是一样的。但是，与前一种方法相比较而言，子电路表示方法不仅使电路的表示方法更加简单和直观。更为重要的是，它提供了一种层次化管理Multisim9中的电路的方法，这是最重要的。 本例只是采用了比较简单的同相比例集成运算放大电路，在实际的电路设计和电路仿真中，电路功能和结构可能更复杂。无论对于简单电路还是复杂电路，都可以采用上述方法将其设置成子电路，采用层次化的模块电路管理方法。 上述的层次化的模块电路管理功能可以从Multisim9的基本工作窗口中的Design Toolbox中观测到。在 Multisim9的基本工作窗

37、口中的 Design Toolbox中，可以看到未进行子电路设置之前，电路Circuit1只有一个仿真的原理电路，而经过子电路的创建后，电路Circuit1的仿真电路在原来单一的仿真原理电路的基础上，又增加了两个二级子电路，即变为层次化的结构，如图4-41所示。 在图4-41中，可以清楚地看到，没有设置子电路的Circuit2和设置了子电路的Circuit1在Multisim9中的电路管理上的不同。 Circuit1电路即为图4-39的仿真电路，在图4-41所示的窗口中，单击Circuit1图标，将出现图4-39所示的电路，单击子电路层的Opm0（x1）将出现图4-36所示的电路。 在图4-4

38、1所示的电路层次窗口中，可以对主电路或子电路进行电路功能和电路结构上的修改。例如：单击子电路层的Opm0（x1）后，将弹出的电路窗口中接在集成运算放大器输出端的反馈电阻由 2k变换成 3k，然后单击仿真开关，通过示波器观测仿真结果。图4-41Design Toolbox对话框读者可以从示波器的波形中得出结论，经过上述操作的子电路opm0（x1）的电路结构发生了变化，从而导致整个仿真电路Circuit1的输出波形发生了变化，出现了严重失真。 从上例中，可以得出结论：在Multisim9中，对于一些功能和结构类似的电路，可以将其设置为子电路保存起来。当遇到类似结构的电路时，可以将上次保存的子电路调

39、出并进行结构或功能上的修改，另存为其他电路。这样，不但使Multisim9管理电路更加方便，也使得用户的仿真电路的设计更加快捷。也可以采用其他办法修改刚刚建立的子电路，方法如下：在图4-41中，单击Circuit1的图标，在被激活的电路窗口中出现如图4-39所示的电路。这时，可以对图4-39中的两个集成运算放大电路所构造的子电路进行修改。本例中，只对Opml（x2）进行修改。在图4-39中，双击鼠标后弹出如图4-42所示的子电路设置对话框。图4-42 子电路设置对话框双击图4-42所示对话框中的Edit HB/SC按钮，将弹出子电路opml（x2）的内部构造仿真电路图，类似于图4-35。在该仿

40、真电路图中，可以根据需要进行参数修改或器件调整。本例中，只修改集成运算放大器输出端的反馈电阻R5，将其电阻阻值由2k改为2.5k，子电路的参数修改完毕后，直接关闭该界面。再次运行修改后的仿真电路，得到如图4-43所示的结果。图4-43 对opml（x2）修改后的仿真结果 在图4-43中，双踪示波器的A通道的数值为17.314V，证明刚才的子电路的改动产生了效果。46 滤波器电路分析滤波器的功能就是对电路的输入信号进行选频，只允许某一频率范围内的信号能够通过，而使其他频带范围内的信号被衰减掉，即被滤除。关于滤波器的设计，现代电子学已经有比较成熟的理论和算法。Multisim9中不但能够按分立元件

41、的方式设计滤波电路，也能够按照用户规定的参数要求，由Multisim9为用户自动定制滤波电路。滤波电路可以分为数字滤波器和模拟滤波器，本小节中主要讨论模拟滤波器在Multisim9中的设计和分析。461低通滤波器电路分析首先，在Multisim9的电路仿真窗口中，创建如图4-44所示的滤波电路，关于电路的分析将借助Multisim9中的相关仪器和分析方法。图4-44所示为模拟电路中常用的一阶有源低通滤波电路，该电路由一个集成运放和一个RC电路所组成。其中，左侧的RC电路的主要作用是确定电路的截止频率，即选频作用。其所限定的截止频率为。右侧的集成运放主要有两个作用：提高低通滤波电路的放大倍数和提

42、高滤波电路的带负载能力，一阶有源低通滤波电路的通带电压放大倍数为，图4-44中的低通滤波电路由于在集成运算放大器的反相输入端接输入电阻 R42k，而反馈电阻 R36.8k，所以其放大倍数为4.4。图4-44一阶有源低通滤波电路 在本例中，选择Multisim9中的波特图仪来观测结果，当然也可以采用Multisim9中的交流分析来观测图4-44中一阶有源低通滤波电路的滤波特性，这两者的分析特性基本一致。将波特图仪的垂直轴的初始值和终值分别设置为-100dB和50dB，水平轴的初始值和终值分别设置为1Hz和1GHz。启动仿真，得到图4-45和图4-46所示的结果。图4-45一阶有源低通滤波电路的幅

43、频响应图4-46一阶有源低通滤波电路的相频响应在图4-45中，移动红色的游标1到达使一阶有源低通滤波电路的电压放大倍数下降了3dB的位置，该处即为一阶有源低通滤波电路的上限截止频率，在图4-45中显示为137.084kHz。在图4-46中，移动红色的游标1到达频率为137.084kHz的位置，观测此时的相位响应特性。从图4-46中可以看出，一阶有源低通滤波电路虽然可以滤掉较高频率的输入信号，但是，其滤波性能不好。因为图4-45中高频段发生衰减时其曲线的斜率比较小，衰减的程度比较缓慢。 事实上，根据理论计算可得知一阶有源低通滤波电路对数幅频特性仅仅以-20dB10倍频的较小幅度下降。为此，可以采

44、用二阶有源低通滤波电路来滤除高频成分。在Multisim9中建立二阶有源低通滤波仿真电路，如图4-47所示。然后单击仿真开关，采用Multisim9中的交流分析来观测，得到图4-48所示的频率响应和图4-49所示的对应截止频率的数据。图4-47二阶有源低通滤波电路图4-48交流分析曲线图4-49交流分析数据 从图4-48中，可以看出，从一阶有源低通滤波电路变化到二阶有源低通滤波电路，其幅频响应特性曲线的下降程度是一阶有源低通滤波电路的2倍。根据实际计算可得：二阶有源低通滤波电路以-40dB/10倍频的幅度下降。对于二阶有源低通滤波电路，其品质因数Q的大小对电路的幅频特性影响较大。对此，采用Mu

45、ltisim9中的参数扫描分析来观测仿真结果。在参数扫描分析的对话框中，选择反馈电阻R4为分析对象，因为根据电子学公式可知，R4的变化将影响品质因数Q。在下面的 Points to Sweep选项框中，扫描的初始值设置为1k，终值为6.8k，点数为3，步进数为2.9k。然后单击 More按钮，在参数扫描对话框中增添如图4-50所示的选项区，将其中的分析对象设置为 AC Analysis。最后，单击Simulate按钮，启动仿真，得到如图4-51所示的结果。图4-51参数扫描结果高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器的分析方法与上述低通滤波器的分析方法相同。462 滤波电路的定制 与前述的单管共射放

46、大电路一样，滤波电路同样也可以通过用户所规定的参数指标，由Multisim9为用户自动定制滤波电路。 单击 Multisim9的 Tools/Filter Wizard，弹出图 4-52所示的滤波器创建向导对话框。其中给出了滤波器电路综合所需的主要参数。 图4-52所示的滤波器创建向导对话框主要分为3个部分，下面分别一一介绍。l Type：设置示波器的类型。有 Low Pass Filter（通滤波器）、High Pass Filter（高通滤波器）、Band Pass Filter（带通滤波器）和 Band Reject Filter（带阻滤波器）4种类型。图4-52滤波器定制对话框对于低通

47、模拟滤波器而言，在设计和综合过程中，有4个技术指标最为重要。它们分别是：l Pass Frequency：通带截止频率。l Stop Frequency：阻带截止频率。l Pass Band Gain：通带所能允许的最大衰减。l Stop Band Gain：阻带应该达到的最小衰减。 在图4-52中的右上角已经清楚的表明了这4个技术指标之间的相互关系。l Filter Load：设置负载电阻的大小。l Type：为用户定制的滤波器设置类型。Multisim9为用户提供了以下两种传统滤波器：Butterworth（巴特沃斯滤波器）和Chebyshev（切比雪夫滤波器）。l Topology：设置

48、所定制的滤波器是有源滤波器（Active）还是无源滤波器（Passive）。l Source Impedance：设置滤波器的源阻抗范围，具体数值通过源阻抗和负载电阻的倍数值来确定。在图4-52中，主要提供了3种选择：源电阻的数值比滤波器负载电阻大10倍以上，源电阻的数值比滤波器负载电阻小10倍以下，源电阻的数值等于滤波器负载电阻的数值。l Default Setting：用于恢复图4-52的滤波器创建向导对话框中的各项参数为默认设置。l Build Circuit：用于启动滤波器电路的创建。Verify按钮用于检验用户指定的创建滤波器的各个参数值是否设置合理。例如：设计一个巴特沃斯模拟低通滤

49、波器，要求通带截止频率为5kHz，通带所能允许的最大衰减为3dB，阻带截止频率为10kHz，阻带应该达到的最小衰减为30dB。按照题目中的要求设置各项参数，参数的设置如图4-52所示。其中，Pass Band Gain和 Stop Band Gain的数值均设置为负数。设置完成后，单击Verify按钮来检验参数的设置是否合理，如果合理，则在图4-52中出现calculation was successfully completed字样，表示可以立即创建滤波电路。否则将继续完善参数的设计。然后，单击Build Circuit按钮启动滤波器电路的创建，随着图4-52中的进度条的推进，在Multis

50、im9的电路窗口中出现了随鼠标移动的滤波器电路的虚影。单击鼠标，完成示波器电路的放置。所创建的滤波器电路如图4-53所示。图4-53定制的低通滤波器电路 图4-53所示的是按照图4-52中的参数指标创建的低通滤波电路，从图4-53中可以看出，该图是一个LC网络。因为在创建过程中引入了电源内阻和负载电阻，所以是一个双边带负载LC网络。在电路网络原理中，对于双边带负载LC网络的处理要比其他RC网络等的处理要复杂得多。在此，只讨论空载LC网络的情形。在 Multisim9中，单击 Simulate/Analysis/PoleZero Analysis，在弹出的对话框中，选择输入节点为节点7（注意：不

51、是6），输出节点为10，其余设置保持默认设置。最后，单击Simulate按钮，启动仿真，得到如图4-54所示的结果。图4-54零极点分析结果图4-54中列出了图4-53所示的低通滤波电路的极点值，读者可以自行验证：图4-54中的结果与理论计算的数值基本一致。对于图4-53中的电路，其频率响应如图4-55和图4-56所示。图4-55定制的低通滤波器幅频响应图4-56定制的低通滤波器相频响应在图4-56中，相频响应本应该是单调下降的，但有时在图4-56的游标所在处，发生了360”的跃变。这可能是由于仿真计算时反正切函数的引入所造成的。对于这种相位卷绕现象，用户应该在跳变的地方加上或减去360”后才

52、可以得到连续的相频特性响应曲线。47 振荡电路分析振荡电路是电子电路中常用的一种电路，多用在波形发生、调谐、调制解调等方面。常用的振荡电路有：RC 振荡电路、LC振荡电路、晶体振荡电路等。下面介绍Multisim9在振荡电路中的应用。471 LC振荡电路1LC并联振荡电路在Multisim9的电路仿真窗口中建立如图4-57所示的LC并联振荡电路的仿真电路。该电路由集成运算放大器和LC网络组成。图4-57 LC并联振荡电路 集成运算放大器是提供组成振荡器电路的放大电路。对于理想运算放大器而言，由于集成运算放大器的电压放大倍数很大，因此在集成运算放大器的“”和“”两个输入端的电压只要有较小的电势差

53、，就将被集成运算放大器放大并输出。 LC网络起到选频作用。从集成运算放大器的输出端输出的信号变量中含有不同的谐波分量，但是由于要产生一定正弦波振荡，所以只能有某一频率的输出的信号变量被作为输入量反馈回集成运算放大器的同相输入端。由此可知，LC并联振荡电路产生的正弦波的频率由选频网络来决定，只有选频网络给定参数条件的频率值才能输出。本例中，按图4-57所示电路连接后，单击仿真开关，得到如图4-58所示的结果。图4-58 LC并联振荡波形 2三点式振荡电路在Multisim9的电路仿真窗口中建立如图4-59所示的电容三点式振荡电路的仿真电路。图4-59中C1、C2、L2组成LC网络，具有选择反馈频

54、率和引入正反馈两个作用。读者可以自行绘制出图4-59所示的电容三点式振荡电路的交流等效电路图。在交流等效电路图中，不难看出，对于图4-59中的晶体管放大器而言，其3个电极满足射同基反的原理，从而将输出量以正反馈的形式引回输入端，满足自己振荡的相位要求。图4-59电容三点式振荡电路图4-60电容三点式振荡波形在图4-59中，双击虚拟示波器的图标，在弹出的示波器显示界面中，可以观测输出的自激振荡波形，如图4-60所示。472 RC振荡电路RC振荡器电路是RC串并联网络振荡电路的简称。在Multisim9的电路仿真窗口中建立如图4-61所示的RC串并联网络振荡电路的仿真电路。其中，集成运放UI作为放

55、大电路，设置为同相比例运算电路。R1、C1与R2、C2所组成的串并联网络可以起到选择输出频率的作用。二极管D1和D2起到限幅的作用。图4-61 RC串并联网络振荡电路在图4-61中，合理设置仿真参数，本例中取R1R2；C1C2。这样，电路的振荡频率为。另外，对于RC振荡器电路而言，为了满足振荡的起振时的幅度平衡条件，必须使AF>1。这里A为同相比例运算放大倍数，F为反馈系数。对于图4-61，当RC振荡器电路工作于谐振频率时。为满足起振时AF>1的条件，A要大于3，但是A的数值不能太大，否则RC振荡器电路输出的正弦波会发生失真现象。设置图4-61中集成运算放大器的反馈电阻R5+R62

56、5k，反相输入端的输入电阻R39k，使A的数值大于3。 参数设置完毕后，保存该电路，然后启动仿真开关，观测仿真结果，如图4-62所示。图4-62中的正弦波较图4-58和图4-60中的波形理想。图4-62 RC串并联网络振荡波形对于在Multisim9中进行RC振荡器电路的仿真试验，需要特别注意以下两点。 （1）对子RC振荡器电路而言，当在电路窗口中启动仿真开关后，对于图中所示的参数设置，会在相当长的一段时间（一般大约1min左右）内，示波器的波形没有任何变化（仅在示波器的T1和T2的显示区内有微小的数值变化），然后示波器才会出现比较明显的正弦波形。这一点与前面设计的其他仿真电路启动后立即输出结果是不一样的。 （2）当示波器中出现比较明显的正弦波形后，不应马上停止对仿真结果的观测，应该再多等待一段时间，使自激振荡输出的正弦波稳定下来后，才能从示波器中读数。因为根据自激振荡的原理，在起振的过程中由于AF>1，并且集成运放为正反馈，所以输出的正弦波逐渐增大。473 晶体振荡电路晶体振荡电路的原理简要介绍如下：假设石英晶体的串联谐振频率为，并联谐振频率为。略大于。当时，石英晶体的阻抗特