Multisim高频实验指导上课讲义.docx
- 文档编号:9530077
- 上传时间:2023-02-05
- 格式:DOCX
- 页数:39
- 大小:1.01MB
Multisim高频实验指导上课讲义.docx
《Multisim高频实验指导上课讲义.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《Multisim高频实验指导上课讲义.docx(39页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
Multisim高频实验指导上课讲义
Multisim高频实验指导
Multisim10基本应用
一)资源简介
1.Multisim10设计界面
图1Multisim10的工作界面
2.元件工具条
主数据库的元器件资源如图2所示。
图2元件库资源
选择元器件工具条中每一个按钮都会弹出相应的元器件选择窗口,如图3所示是元
件组的器件选择界面,其中一个Group(元器件组)有多个Family(元器件系列),每一个元器件系列有多个Component(器件)。
图3通用器件选择窗口
3.仪器工具条
仪表工具条如图4所示,它是进行虚拟电子实验和电子设计仿真的最快捷而又形象的特殊工具,各仪表的功能名称与Simulate菜单下的虚拟仪表相同,如图5所示。
图4仪表工具条
图5虚拟仪表名称
4.设计窗口翻页
在窗口中允许有多个项目,点击如图1所示下部的翻页标签,可将其置于当前视窗。
5.设计管理器
如图1所示左边的设计管理器可以将所有打开的设计项目中的任何一页置为当前设计窗口,可以利用设计工具条中的按钮开启/关闭。
6.设计工具条
设计工具条如图6所示:
图6设计工具条
(1)
层次项目栏按钮(ToggleProjectBar),用于设计管理器的开启/关闭。
(2)
层次电子数据表按钮(ToggleSpreadsheetview),用于开关当前电路的电子数据表。
(3)
数据库按钮(Databasemanagement),可开启数据库管理对话框,对元件进行编辑。
(4)
元件编辑器按钮(CreateComponent),用于调整或增加、创建新元件。
(5)
分析结果示窗按钮,其后的箭头下拉菜单选择分析命令。
(6)
后处理器窗口开/关,可以对已分析过的数据进行综合处理。
(7)
电气规则检查按钮。
(8)
屏幕捕捉器按钮。
(9)
返回顶层按钮。
(10)
由Ultiboard反注释到Mutisim。
(11)
注释到Ultiboard10。
(12)
使用中的元件列表,列出了当前电路中用过的全部元件种类。
(13)
Multisim的帮助文件。
二)、Multisim仿真实例
一.三极管的高频特性
1.实验目的
(1)理解晶体管的频率特性参数;
(2)认识低频管和高频管的频响差异。
2.实验原理
晶体管频率特性主要指晶体管对不同频率信号的放大能力,表现为:
在低频范围内,晶体管的电流放大系数(α、β)基本上是恒定值,但频率升高到一定数值后,α和β将随频率的升高而下降。
为定量比较晶体管的高频特性,工程上确定了几个频率参数:
共基极截止频率fα(又称α截止频率,是指α降低到其低频值的0.707,即下降3dB时的频率)、共发射极截止频fβ(又称β截止频率,是指β降低到其低频值的0.707时的频率)、特征频率fT(值β下降到1
时所对应的频率)、最高振荡频率fmax(功率增益为1时所对应的频率)。
3.实验电路
实验电路如图1-1所示。
高频管BF517在元件工具条
内
的中选取。
图1-1三极管高频特性分析电路
4.实验步骤
(1)
和
值的测量。
首先用示波器观察电路波形是否失真。
根据实验原理,对电路进行AC小信号分析,设置如图1-2所示(Y设置为Decibel),结果如图1-3所示,点击按钮,移动1、2号指针,图中指针坐标约为
即最大幅值,其下降3dB的点(
),这时的
即是
。
其特征频率(拖动指针,使y=1时的x值)
。
图1-2AC分析参数设置
图1-3AC分析结果
二、谐振电路仿真实验
1.实验目的
(1)理解并联谐振电路的幅频特性和相频特性。
(2)掌握谐振频率与L、C的关系。
(3)了解回路Q值的测量方法,理解回路频率特性与Q值的关系。
(4)了解耦合状态对双调谐回路频率特性的影响。
2.实验原理
并联谐振电路如图2-1所示。
(1)在高频电子线路中,小信号放大器和功率放大器均以并联谐振电路作为晶体管负载,放大后的输出信号从回路两端取出,因此研究并联回路的频率特性具有重要的实际意义。
(2)并联谐振电路具有选频作用,其频率特性可由幅频特性、相频特性曲线体现。
(3)谐振电路的谐振频率取决于电感和电容的值:
(4)品质因数Q的测量可借助公式
(5)品质因数Q反映LC回路的选择性:
Q越大,幅频特性曲线越尖锐,通频带越窄,选择性越好;当R一定时,可通过减小回路(L/C)比值来提高Q值,因为
单调谐双调谐
图2-1LC谐振回路
3.实验步骤
单调谐回路的分析。
(1)按图2-2所示给定参数绘制单调谐回路,该谐振回路的谐振频率为
故加入1A、10MHz的激励源,R1为负载。
用示波器观察Uo波形,如图2-3所示。
图2-2单调谐实验电路
图2-3单调谐回路输出
波形分析:
由图2-3中分析可知,输出信号幅度为9.27V,频率为10MHz,回路处于并联谐振状态(输出幅度较大)。
(2)频率特性的测试。
对电路进行“AC小信号分析”,设置频率参数1MHz~100MHz,仿真结果如图2-4所示幅频特性曲线。
图2-4单调谐电路的波特图
波形分析:
由2-4所示波特图中可见,谐振时,输出电压幅值达最大,且与电流源的相位差为O,该单调谐回路的谐振频率为9.9MHz,此外,由幅频特性曲线还可测得通频带约为2MHz;利用公式
可算得Q值约为4.9。
(3)观察电感和电容取值变化对频率特性的影响。
对电感进行参数扫描分析(
),电感量取值分别为O.5μH、1.2μH、2μH的幅频特性,参数设置如图2-5所示,图中输入方法用0.5e-6、1.2e-6、2e-6,其单位是H,e-6的含义是10-6,分析结果如图2-6所示;对电容进行参数扫描分析,电容量取值分别为100pF、200pF、300pF(输入方法用100e-12、200e-12、300e-12,单位是F),结果如图2-7所示。
图2-5设置扫描电感参数
图2-6对电感L1的参数扫描分析
图2-7对电容C1的参数扫描分析
结果表明:
电感和电容的取值改变会使幅频特性曲线发生变化,具体变化情况见表2-1
表2-1电容电感分析表
谐振频率
通频带
品质因数Q
电感L减小
升高
影响不大
升高
电感L增大
降低
影响不大
降低
电容C减小
升高
变宽
降低
电容C增大
降低
变窄
提高
(4)观察负载阻值(阻尼)变化对频率特性的影响。
对电阻进行参数扫描分析,电阻值分别取0.5k、lk、1.5K,得到如图2-8所示的幅频特性。
图2-8对电阻的参数扫描分析
从图2-8中看到,负载阻值的改变会使幅频频特性曲线发生变化,具体表现为,阻值增大时,通频带变窄、Q值变大。
在阻值较小时,这种变化尤为明显。
三、射频放大器
1.实验目的
(1)理解RF(射频、高频)放大器原理;
(2)学习电路中注释的放置、编辑方法;
(3)学习和巩固波特图示仪和示波器的使用方法;
(4)学习如何用示波器观察有直流成分的信号波形。
2.实验内容
(1)小信号谐振放大器
实验电路及仪器连接如图3-1所示。
图3-1RF放大器实验电路
分析电路的静态工作点。
选择仪表工具条中的(实时信号监测表)放置于监测点,双击之,在弹出窗口标签页修改标号(图中的Input、Output);
点击主菜单中,在下拉菜单中选择“注释”(或在界面的空白处右击鼠标,选择弹出式菜单中的“放置注释”),放置于您想放置注释的点,编辑注释即可(默认状态有当即日期,可接着编写);如图3-2所示。
图3-2RF放大器实验电路
运行仿真,观察放大器波形,此时输出信号的波形在上边,如图3-3所示,甚至可能看不见(示波器默认状态),我们点击示波器的“AC”(示波器面板的下边沿)按钮,选择测试其AC信号波形;运行仿真,测试波特图如图3-4所示,其谐振频率为1.6MHz。
图3-3输入输出波形
图3-4测量放大器的谐振频率
(2)高频功率放大器
实验电路如图3-5所示,运行仿真,观察放大器波形,如图3-6所示,
图3-5高频功率放大器
图3-6输入输出波形
为了观察到高频功率放大器的输出电流(iC)波形,在三极管的发射极串联一个很小的电阻R1(本例中取0.2Ω),测量R1上的电压波形,就是高频功率放大器输出电流的波形。
构建的仿真测试电路如图3-7所示。
图3-7仿真测试图
示波器上显示的波形如图3-8所示。
其中上图为输出信号的波形,下图为R1上的电压波形,即高频功率放大器输出电流(iC)的波形,是一脉冲串,与理论上的结论吻合。
图3-8输出信号的电流,电压波形
(3)高频功率放大器馈电电路
高频功率放大器馈电电路有基极馈电和集电极馈电电路,而馈电电路又分为串馈电路和并馈电路两种。
所以高频功率放大器有如下种
基极:
串馈电路,并馈电路
集电极:
串馈电路,并馈电路
以一个基极是串馈电路,集电极是并馈电路的高频功率放大器为例,如图3-8所示。
仿真得到基极串馈,集电极并馈电路的输入输出波形如图3-9所示。
图3-8基极是串馈电路、集电极是并馈电路的高频功率放大器电路
图3-9基极串馈、集电极并馈电路的输入输出波形
四、正弦波振荡器
1.实验目的
(1)理解正弦波振荡器的工作原理及特点;
(2)掌握振荡器的设计方法。
2.实验原理
在电子线路中,除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外,还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子电路,这种电路就称为振荡器。
在电子技术领域,振荡器有各种各样的应用,是广播电视、通讯设备、测控仪器等设备中必不可少的核心组件。
振荡器也是一种能量转换器,由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成,如图4-1所示。
根据工作原理有反馈型和负阻型振荡器,根据输出波形有正弦波、三角波、矩形波等振荡器,根据选频网络有LC、RC、晶体振荡器等。
图4-1振荡器框图
LC振荡器的电路种类比较多,根据不同的反馈方式,又可分为互感反馈振荡器(变压
器耦合)、电感反馈三点式振荡器、电容反馈三点式振荡器。
其中互感反馈易于起振,但稳定性差,适用于低频,而三点式振荡器稳定性好、输出波形理想、振荡频率可以做得较高。
3.实验内容
(1)电容三点式振荡器(又称考毕兹振荡器):
如图4-2所示:
理论计算振荡器的频率为
观察到的振荡波形如图4-3所示,从波形看出其振荡极不稳定,测试波形频率为
图4-2考毕兹振荡器
图4-3考毕兹振荡器输出信号波
用实时监控法测量信号频率为6.33MHz(如图4-4所示),计算结果与测试结果对照,有一定的差异,这是测试误差所致,应属正常。
图4-4用实时监控法测信号参数
电容三点式改进型“克拉泼振荡器”:
如图4-5所示
克拉泼振荡器的频率
电路中C3为可变电容,调整之即可在一定范围内调整其振荡频率。
输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试(参见图4-5所示),信号波形如图4-6所示,调整C3观测振荡信号的波形和频率变化。
图4-5克拉泼振荡器实验电路
图4-6克拉泼振荡波形
(3)电容三点式的改进型“西勒振荡器”:
如图4-7所示
振荡器的频率
输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试(参见图4-7所示),信号波形如图4-8所
示,调整C6、C3观测振荡信号的波形和频率变化。
图4-7西勒振荡器实验电路
图4-8西勒振荡器波形
五、频谱分析仪
1.实验目的
(1)了解频谱分析仪的基本功能;
(2)学习频谱分析仪的参数测试方法;
(3)了解傅立叶分析与频谱分析仪的关系;
(4)学习傅立叶分析方法。
2.实验原理
非线性周期信号是由各次谐波的周期信号叠加而成的,频谱分析仪将它们以谱线形式分离表现出来,方便对信号的特性进行分析。
实验中调用频谱分析仪,事实上是调用傅立叶分析,我们通过实验熟悉频谱分析仪的使用方法。
3.频谱分析仪的面板功能
频谱分析仪在仪表工具条中第16个,如图5-1所示
图5-1
连接图标中的T是外触发信号输入端,分析窗口各部分的功能如下:
(1))SpanControl区。
选择显示频率变化范围的方式。
1)SetSpan:
设置测量的频率范围;
2)ZeroSpan:
设置中心频率;
3)FullSpan:
设置全频段0~4GHz范围;
(2)Frequency区。
主要用于设置频率范围。
1)Span:
频率范围;
2)Start:
开始频率;
3)Center:
中心频率;
4)End:
结束频率;
(3)Amplitude区。
选择频谱纵坐标的刻度。
1)dB:
表示纵坐标用dB即以20×logl0(V)为刻度;
2)dBm:
表示纵坐标用dBm即以10×log10(V/0.775)为刻度。
0dBm是电压为0.775V时,在600Ω上的功耗,此时功率为lmW。
如果一个信号是+10dBm,意味其功率是10mW。
在以0dBm为基础显示信号功率时,终端电阻是600Ω的应用场合(如电话线),直接读dBm会很方便;
3)Lin:
表示纵坐标使用线性刻度;
4)Range:
设置纵坐标每格的幅值,V/格;。
5)Ref:
设置参考标准。
所谓参考标准就是确定显示窗口中信号频谱的某一幅值所对应的频率范围。
由于频谱分析仪的数轴上没有标明大小,通常利用测试指针来读取每一点的频率和幅度。
当测试指针移动到某一位置,此点的频率和幅度以V、dB或dBm的形式显示在分析仪的(窗口)右下角。
如果读取的不是一个频率点,而是某一个频率范围,则需要与Show-Ref按钮配合使用,单击该按钮,则在频谱分析仪的显示窗口中出现以Ref条形框所设置的分贝数(如-3dB)的横线,移动测试指针就可以方便地读取横线和频谱交点的频率和幅度。
利用此方法可以快速读取信号频谱的带宽。
(4)ResolutionFreq区。
设置频率的分辨率,所谓频率分辨率就是能够分辨频谱的最小
谱线间隔。
频率分辨率的默认状态是最大分辨率,最大分辨率Df=fend/1024。
一般需要调整其分辨率,才能阅读到的频率点为信号频率的整倍数。
(5)右下方还有5个控制按钮,其功能如下所述:
1)Start:
继续频谱分析仪的频谱分析。
此按钮常与Stop按钮配合使用,通常在电路的仿真过程中停止了频谱分析仪的频谱分析之后,又要启动频谱分析仪时使用。
2)Stop:
停止频谱分析仪的频谱分析,此时电路的仿真过程仍然继续进行。
3)Reverse:
频谱分析窗口的图形和背景反向显示。
4)Show—Ref:
显示参考值。
5)Set:
用于设置触发参数。
单击该按钮,弹出Settings对话框,可设置内触发、外触发以及连续触发和单次触发。
4.实验内容
(1)按照5-2所示构建RF放大器(本例取自Multisim10的Samples文件夹),信号源如图中设置,用示波器观察电路的输出波形(R6上的电压波形)如图5-3所示,双击频谱分析仪,在弹出界面中设置频率范围,中心频率等,运行仿真,其频谱如图5-4所示,如果看不见谱线,可以调整Range,还看不见就改变ResolutionFreq,再次运行仿真。
调用频谱分析仪仿真,事实上是进行傅里叶分析。
图5-2RF放大器
图5-3放大器的输出波形
图5-4输出信号的频谱分析结果
(2)按照图5-5所示电路连接(本例取自Multisim10的Samples文件夹),是一个三角波振荡器,其输出波形图5-6所示。
对它进行傅里叶分析,设置参数如图2-32所示(输出节点为OUT),运行仿真后的谱线图如图2-33所示。
其谱线图中还有个Excel表,表中列出谱线的有关参数。
图5-5三角波振荡电路
图5-6输出波形
图5-7傅里叶分析设置
图5-8傅里叶分析谱线图
六、网络分析仪
1.实验目的
(1)了解频网络析仪的基本功能;
(2)学习网络分析仪的参数测试方法。
2.实验原理
射频电路的设计方法不同于低频电路的设计,设计者必须关注电路的S参数、输入/输出阻抗、功率增益、噪声指数和稳定性等性能参数。
这些参数不能直接从SPICE仿真电路中获取,如阻抗匹配需要通过史密斯圆图才能得到,而SPICE不能提供史密斯圆图。
网络分析仪是一种测试两端口网络S参数的仪器,常常用来分析高频电路。
Multisim10所提供的虚拟网络分析仪不但可以测量S参数,还可以测量H、Y和Z等参数。
网络分析仪如图6-1所示(在仪表工具条中第17个)。
网络分析仪的图标有两个端子,Pl端子用来连接被测电路的输入端口,P2端子用来连接被测电路的输出端口。
当进行仿真时,网络分析仪自动对电路进行两次交流分析,第一次交流分析用来测量输入端的前项参数S11、S21,第二次交流分析用来测量输出端的反相参数S22、S12。
S参数被确定后,就可以利用网络分析仪以多种方式查看数据,并将这些数据用于进一步的仿真分析。
图6-1网络分析仪
3.网络分析仪的面板功能
在图6-1所示网络分析仪中,面板的左侧是显示窗口,用于显示电路的四种参数、曲线、文本以及相关的电路信息。
右侧是参数设置区,有五个具体功能:
(1)Mode区用于设置仿真分析的模式。
1)Measurement:
选择测量模式。
2)RFCharacterizer:
选择射频电路分析模式,包括功率增益、电压增益以及输入/输出阻抗。
3)MatchNet.Designer:
高频电路的设计工具(打开匹配网络分析对话框,另行介绍)。
(2)Graph区
1)Param…:
在Measurement模式下,Parameters下拉菜单提供选择的参数有S-Parameters、Y-Parameters、H-Parameters、Z-Parameters和Stabilityfactor(稳定因子)等五种类型在RFCharacterizer模式下,Parameters下拉菜单提供选择的参数有PowerGains(功率增益)、Gains(电压增益)和Impedance(阻抗)3种参数。
2)Smith:
以史密斯格式显示。
3)Mag/Ph:
显示幅频特性曲线和相频特性曲线。
4)Polar:
显示极化图。
5)Re/Im:
分别显示实部和虚部。
(3)Trace区设置Graph区Parameters下拉菜单中所选择参数类型的具体参数。
Graph区Parameters下拉菜单中选择的参数不同,Trace区所显示的按钮也不同。
例如选择z参数,Trace区显示的四个按钮为Z11、Z12、Z21和Z22,被按下的按钮就是显示窗口所显示的参数。
(4)Functions区设置所要分析的参数类型。
1)Marker:
该下拉菜单要与模式选择“Graph”区Parameters下拉菜单配合使用。
模式选择不同,或选择“Graph”区Parameters下拉菜单的选项不同,Marker下拉菜单所显示的选项也不同。
2)Scale:
设置纵轴的刻度。
只有极点、实部/虚部点和幅度/相位点可以改变。
3)AutoScale:
程序自动调整刻度。
4)Setup:
单击该按钮弹出Preferences对话框。
通过.Preferences对话框,可以设置曲线、网格、绘图区域和文本的属性。
(5)Settings区。
对显示窗口中数据进行处理。
该区有五个功能按钮。
1)Load:
加载数据。
2)Save:
保存资料。
3)Exp:
输出数据。
4)Print:
打印数据。
5)SimulationSet:
单击该按钮,弹出MeasurementSetup对话框。
利用该对话框,可以设置仿真的起始频率、终止频率、扫描的类型、每十倍坐标刻度的点数和特性阻抗等。
4.匹配网络分析
设计RF放大器时,经常需要分析电路的性能指标。
Multisim10仿真软件中的网络分析仪为RF电路的分析提供了Stabilitycircles(稳定圆)、UnilateralGainCircles(单向增益圆)、ImpedanceMatching(和阻抗匹配)3种分析方法。
单击网络分析仪面板中的MatchNet.Designer按钮,弹出如图6-2所示的MatchNet.Designer对话框。
图6-2MatchNet.Designer对话框
注意:
在打开MatchNet.Designer对话框之前,必须停止电路的仿真。
该对话框含有3个标签,分别是Stabilitycircles、ImpedanceMatching和UnilateralGainCircles标签,具体功能如下所述:
(1)Stabilitycircles标签
该标签用于研究一个电路在不同频率点的稳定性。
在理想情况下,信号输入到二端口网络时,整个信号的传输没有任何损失。
在实际情况下,有部分输入信号反馈到信号源。
另外,输入的信号被RF电路放大后,输出到负载的信号也有部分信号反馈到RF电路的输出端。
如果RF电路不是单向的,则将从负载反馈回来的信号反向传输到信号源上。
如果反馈回来的信号等于传输到RF电路的输入信号或RF电路的输出信号,则认为该电路是不稳定的。
所以,应该设法使这种“反馈”效应减少到最小,以使信号最大传送到负载。
创建被测RF电路的电路图后就可以利用网络分析仪进行“Stabilitycircles(稳定圆)”分析了,具体步骤如下:
1)利用两个电容(100F)将网络分析仪连接到被测RF电路中,电容值的选取是为了减少数值误差。
在直流模式下,两个电容被用来隔开放大器的前、后级电路。
注意:
电容的容抗不应影响到输入/输出信号。
2)对RF电路进行AC分析。
AC分析之后,停止仿真分析,不管DC分析。
3)在电路窗口双击网络分析仪,在弹出的网络分析仪面板中,单击MatchNet.Designer按钮,弹出MatchNet.Designer对话框。
4)在MatchNet.Designer对话框中,单击Stabilitycircles标签,参看图6-2所示。
5)在Stabilitycircles标签中,在Freq.条形框中设置工作频率。
6)设置完后,单击OK按钮,就返回网络分析仪面板。
在网络分析仪面板显示窗口所显示的Smith圆图中,就可观察到输入稳定圆和输出稳定圆曲线。
稳定圆代表边界,圆的边界代表的是K=1的点的位置,这个边界可以区分引起稳定和不稳定的源电阻值或负载电阻值。
注意:
稳定圆的内部或外部都有可能是不稳定区域,不稳定区域在Smith圆图上是混杂的。
稳定圆的几点说明:
1)若Smith圆图上没有被杂乱标出的区域,则认为该电路是“无条件稳定”,意味着在Smith圆图上的任何区域都代表着一个有效的源阻抗或负载阻抗。
电路设计人员可以用其他标准来选择输入/输出
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Multisim 高频 实验 指导 上课 讲义