典型电路设计与测试.ppt

10 4典型电路设计与测试 目录 10 1虚拟电子实验室 Multisim7 10 1 1Multisim7基本操作 10 1 2Multisim7电路仿真分析 10 2Multisim7基本分析方法 10 2 1直流工作点分析 10 2 2交流分析 10 3常用模拟电路分析举例 10 3 1单管共发射极放大电路 10 3 2整流电路 附录电路仿真软件介绍 要点 1 Multisim7的基本操作功能 用Multisim7对低频模拟电路进行仿真的方法 2 用Multisim7对电路进行电路进行设计和测试的方法 3 Multisim7的高级分析方法 难点 用Multisim7对典型电路的测试和设计 10 1虚拟电子实验室 Multisim7 加拿大IIT InteractiveImageTechnologies 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 ElectronicsWorkbench 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10 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 图10 1电子设计平台EWB各工具之间的关系 10 1 1Multisim7基本操作 图10 2Multisim7的操作界面 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10 3所示 用鼠标单击某一按钮 可完成其对应的功能 图10 3常用的操作命令 3 元器件库栏 如图10 4所示 图10 4元器件库栏 4 仪器仪表栏 如图10 5所示 图10 5仪器仪表栏 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10 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10个 如图10 4所示 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10 7所示 图10 6选择元器件对话框 图10 7对元器件操作的菜单 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10 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ReferenceID是系统自动分配的 也可以修改 但修改时应保证ReferenceID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 ReferenceID 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 图10 8元器件特性对话框 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10 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 Showcomponentlabel 是否显示元器件的标识文字 ShowcomponentreferenceID 是否显示元器件的序号 Shownodenames 是否显示节点的编号 Showcomponentvalues 是否显示元器件的数值 Showcomponentattribute 是否显示元器件的属性 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 Sheetsize选项组实现图纸大小和方向的设置 Zoomlevel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 Showgird 电路工作区是否显示格点 Showpagebounds 电路工作区是否显示页面边界 Showtitleblock 电路工作区是否显示标题栏 图10 9器件特性对话框 3 Wiring选项卡 Wiring选项卡有两个选项组 其中 Wirewidth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 Autowireonconnection 选择是否自动连线 Autowireonmove 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 Bin选项卡 ComponentBin选项卡有两个选项组 Symbolstandard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 Placecomponentmode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 Placesinglecomponent 选中该选项时 从库里取出元器件 只能放置1次 Continuousplacementformulti sectionpartonly Esctoquit 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 Continuousplacement Esctoquit 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 4 Component 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 Front选项组下可以选择Front 字体 FrontStyle 字形 和Size 字号 Sample选项组下显示设定的字体 Applyto选项组选择字体的应用范围 有两种选择 Entirecircuit和Selection 前者应用于整个电路图 后者应用于选取的项目 ChangeAll选项组选择字体应用的项目 项目选择如下 ComponentreferenceID 选择的字体应用于元器件序号 Componentvaluesandlab 选择的字体应用于元器件数值和标识 Componentattributes 选择的字体应用于元器件属性 Pinnames 选择的字体应用于引脚名 Nodenames 选择的字体应用于节点名 Schematiotext 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 CircuitDefaultPath选择电路存盘的路径 DigitalSimulationSetting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 7 RuleCheck选项卡 RuleCheck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 GroundOption为接地选择 如果选中Connectdigitalgroundtoanalogground 则表明数字地与模拟地相连 Exportsettings输出设置 Renamenodes为节点重新命名 Renamecomponents为元器件重新命名 Numberofcopperlayers设置印制板的层数 9 Default对话框 图10 9所示Preference命令对话框的左下角有两个按钮 SetasDefault按钮将当前设置存为用户的默认设置 影响新建电路图 RestoreDefault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 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 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 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 1 万用表的使用 图10 10万用表图标 面板和参数设置 如图10 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 2 函数信号发生器 图10 11函数信号发生器图标和面板 如图10 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 3 瓦特表 图10 12瓦特表图标和面板 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10 12所示 4 双通道示波器 图10 10双通道示波器图标和面板 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10 10所示 5 四通道示波器 图10 14四通道示波器图标和面板 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10 14所示 6 波特图示仪 图10 15波特图示仪图标和面板 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10 15所示 要注意的是在电路的输入端要接交流信号 图10 16波特图示仪示例 图10 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 7 频率计 图10 17频率计及使用 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10 17所示 8 IV分析仪 图10 18IV分析仪及其使用 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10 18所示 10 1 2Multisim7电路仿真分析 1 仿真实验法 应用Multisim7进行仿真的基本步骤如下 1 启动Multisim7 双击Multisim7图标进入Multisim7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 3 仿真实验 设置仪器仪表的参数 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 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 2 电路分析法 Multisim7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 Multisim7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 10 2Multisim7基本分析方法 10 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10 19所示 图10 19分压式共发射极放大电路 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 DCOperatingPoint 则会出现如图10 20所示的对话框 图10 20直流工作点分析对话框 2 设置直流工作点对话框 直流工作点分析对话框包括Outputvariables 输出变量 MiscellaneousOptions 各种性质选项 和Summary 概要 三个选项卡 Outputvariables选项卡用于选定需要分析的节点 页面左侧Variablesincircuit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Selectedvariablesfor栏用于存放需要分析的节点 在左侧Variablesincircuit中选择需要分析的变量单击Add加到Selectedvariablesfor栏中 然后单击Remove按钮 该变量将会回到左侧Variablesincircuit栏中 如图10 20所示 图10 21MiscellaneousOptions选项卡 MiscellaneousOptions 各种性质选项 选项卡如图10 21所示 主要来分析其对应的选项功能 Summary选项卡如图10 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 图10 22Summary选项卡 3 检查分析结果 图10 23直流工作点的测试结果 直流工作点的测试结果如图10 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 10 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 Multisim7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 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10 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 AcAnalysis 则会出现如图10 24所示的对话框 图10 24交流分析对话框 2 交流对话框包括频率参数 FrequencyParameters 输出变量 Outputvariables 其他各种性能选项 MiscellaneousOptions 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ACAnalysis窗口 同时绘出交流分析曲线 3 检查分析结果 图10 25交流分析测试曲线 交流分析测试曲线如果10 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 10 3常用模拟电路分析举例 Multisim7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 10 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10 26所示 图10 26固定偏流共发射极放大电路 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 1 分析要求 1 建立单管共发射极放大电路 电路如图10 26所示 1 直流工作点仿真分析结果如图10 27所示 图10 27直流工作点分析结果 2 示波器显示的共发射极放大电路输入 输出波形如图10 28所示 图10 28共发射极放大电路的输入 输出波形 3 波特图示仪显示的波特图如图10 29所示 图10 29共发射极放大电路的幅频特性 4 出现的截止失真和饱和失真如图10 30所示 图10 30电路出现的失真 10 3 2整流电路 1 分析要求 1 分析半波整流电路的性能 2 分析全波整流电路的性能 2 Multisim7操作步骤 1 建立如图10 31所示的二极管半波整流电路 图10 31二极管半波整流电路 2 打开仿真开关 用示波器观察二极管半波整流电路的输入 输出波形 如图10 32所示 图10 32二极管半波整流输入 输出波形 3 对半波整流输出信号进行傅立叶级数分析 得到其频谱 如图10 33所示 从图中可以读出其直流成分和各次谐波成分的数值 图10 33二极管半波输出信号的频谱 直流值为10 6246A 一次谐波幅度为21 495V 二次谐波为9 29891V 4 建立如图10 34所示的全波整流电路 观察二极管全波整流电路的输入 输出波形 如图10 35所示 图10 34桥式全波整流电路 5 对全波整流输出信号进行傅立叶级数分析 得到其频谱 如图10 36所示 从图中同样读出其直流成分和各次谐波成分的数值 图10 35二极管桥式整流输入 输出信号的波形 图10 36桥式全波整流电路的输出信号的频谱 输出信号的直流值为10 338V 并且大家可以看到它的奇次谐波数值很小 几乎为零 偶次谐波的数值可以从傅立叶级数分析结果中得到 这一节通过一个实例来介绍Multisim7在模拟电路设计方面的应用 在电路设计过程中 若能充分利用Multisim7提供的各种虚拟仪器和仿真分析方法 可以大大缩短设计时间并降低设计难度 1 设计要求 设计一个分压式偏置共发射极放大电路 晶体管的型号任选 直流电压为12V 负载电阻RL 2 7k 要求电路输入电阻大于50k 当输入信号小于等于10mA时 输出信号失真度小于20dB 中频电压放大倍数为50 并测量该电路的上下限截止频率 10 4典型电路设计与测试 2 设计步骤 1 根据要求建立电路 如图10 37所示 图10 37分压式偏置放大电路 2 选择合适的元器件参数 设置一个合适的静态工作点 我们不妨设基极电位为4V 这样就可以确定R1 R2的关系 其取值如图所示 接着设置UCE 取UCE 6V左右 不妨取集电极电流IC 1mA左右 这样可确定R4 R5的数值 选择合适的电容 建立电路 接着就对电路进仿真分析 仿真项里的分析工具DCOperatingPointAnalysis可检查设置的静态工作点是否合适 在仿真项里 还有很多分析工具 像参数扫描工具 在电路设计中很有用 在这里就不多作介绍了 3 用仿真工具分析设置的电路是否达到指标 用示波器观察输出信号的波形 用波特图示仪测试其电压放大倍数 用失真度测试仪测试失真度 其结果如图10 38 图10 39和图10 40所示 图10 38所设计电路的输入 输出波形 图10 39波特图测得的幅频特性 图10 40失真仪观察输出信号失真度