Multisim仿真中的相位差测量.docx

Multisim仿真中的相位差测量.docx

《Multisim仿真中的相位差测量.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Multisim仿真中的相位差测量.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Multisim仿真中的相位差测量

Multisim仿真中的相位差测量

郝宁眉;刘广孚

【摘要】Multisim是一款很好的仿真软件,但是它在进行相位差测量时不能直接读数,为解决这一问题,提出了一种由测量放大器与波特图仪构建的测量电路.详细介绍了该测量电路的结构、工作原理及参数设置.通过实例电路的仿真测量,说明了测量方法及测量误差.测量结果表明该测量电路在Multisim中可完成对正弦电路中任意电压的相位差测量并直接显示,测量精度高.

【期刊名称】《仪表技术与传感器》

【年（卷）,期】2009（000）011

【总页数】3页（P46-48）

【关键词】Multisim;仿真分析;相位差测量;电压测量;测量放大器;波特图仪

【作者】郝宁眉;刘广孚

【作者单位】中国石油大学（华东）信息与控制工程学院,山东东营,257061;中国石油大学（华东）信息与控制工程学院,山东东营,257061

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

2009年第11期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor2009No．11Multisim仿真中的相位差测量郝宁眉，刘广孚（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东东营257061）摘要：

Multisim是一款很好的仿真软件，但是它在进行相位差测量时不能直接读数，为解决这一问题，提出了一种由测量放大器与波特图仪构建的测量电路。

详细介绍了该测量电路的结构、工作原理及参数设置。

通过实例电路的仿真测量，说明了测量方法及测量误差。

测量结果表明该测量电路在Multisim中可完成对正弦电路中任意电压的相位差测量并直接显示，测量精度高。

关键词：

Multisim；仿真分析；相位差测量；电压测量；测量放大器；波特图仪中图分类号：

TP212文献标识码：

A文章编号：

1002-1841（2009）11-0046-03．PhaseDeferenceMeasurementinMultisimHAONing-mei,LIUGuang-fu（CollegeofInformationandControllingEngineering,ChinaUniversityofPetroleum（EastChina）,Dongying257061,China）Abstract:

Multisimisagoodsimulationsoftware,butitcannotshowthephasedifferencedirectly.Inordertosolvetheprob-lem,ameasuringcircuit,whichwascomposedofinstrumentationamplifierandBorddiagraminstrument,wasputforward.Thestructure,principleandparametersofthecircuitwereintroducedindetail.Bythesimulatingmeasurementoftheexamplecircuit,themeasurementmethodandmeasurementerrorweredescribed.Theresultsindicatethatthephasedifferenceofanysinusoidalvoltagecanbemeasuredandshoweddirectlywithhighaccuracybythecircuit.Keyword:

Multisim;simulationanalysis;phasedifferencemeasurement;voltagemeasurement;instrumentamplifier;Borddia-graminstrumentO引言EDA技术在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大作用。

Multisim是一款功能强大的模拟与数字电路混合仿真软件，被广泛用于电子电路的仿真分析与设计。

相位差是关于正弦稳态电路分析研究中一个非常重要的参数，是比较2个同频率正弦信号之间相位关系的唯一指标。

在Multisim中，相位差的测量通常是借助于示波器测量显示的，如图1所示。

即用双踪示波器测量2个正弦信号初相位所对应的时间差AT，根据正弦信号一个周期r所对应的相位角度为3600的关系，由式

（1）计算而得。

这种测量方式有2个缺点。

一是不直XSC1收稿日期：

2009-04-22△妒=妒，一妒：

=令；×3600

（1）观。

即不能直接读出相位差，而是测时间差通过计算转而得知，测量误差较大；二是不便捷。

由于示波器连接到电路时需要与电路“共地”，故只能测量电路中的电位信号，而不可测量任意两点间的电压信号，这对分析研究正弦稳态电路造成较大的困难。

文中提出了一种在Multisim中方便快捷的测量相位差的测量电路。

该测量电路可测量电路中任意两点间的电压信号，并可将其电位差及两点间的相位差直接显示出来。

┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃┃┣━━┳━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃厂┃春℃／，＼、┃┣━━╋━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃《／＼≮！

／／-＼、┃┃┃┃{十┃┣━━┻━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃tz"rul：

撼需t:

46然，躲裂—湖┃┃《2m-Tiii~凹吁啪——_“_vip;ra.037mv一{黼￡黪M黼”幅岫k"‘尊一穗瓣嘲毒一…山、。

”黼d诵黼张，ln删；一pms；，一。

。

一。

鬻i笋澎盏萨出|1∞mv加~f惭i_酬蛹}黼羟臻矧蕊loc㈣#喇垂l群。

l辫x汹酗矗埘列蛳瓤鬲，┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛图1用双踪示波器测量2个正弦信号的相位差l相位差测量电路的结构及工作原理相位差测量的电路结构框图如图2所示，相位差测量电路2009年第11期仪表技术与传感器InstrumentandSensor2009No．摘要：

Multisim是一款很好的仿真软件，但是它在进行相位差测量时不能直接读数，为解决这一问题，提出了一种由测量放大器与波特图仪构建的测量电路。

详细介绍了该测量电路的结构、工作原理及参数设置。

通过实例电路的仿真测量，说明了测量方法及测量误差。

测量结果表明该测量电路在Multisim中可完成对正弦电路中任意电压的相位差测量并直接显示，测量精度高。

文章编号：

1002-1841（2009）11-0046-03MeasurementinMultisimNing-mei,LIUGuang-fuCollegeofInformationandControllingEngineering,UniversityofPetroleum（EastChina）,257061,China）Abstract:

Multisimisagoodsimulationsoftware,butitcannotshowthephasedifferencedirectly.Inordertosolvetheprob-lem,ameasuringcircuit,whichwascomposedofinstrumentationamplifierandBorddiagraminstrument,wasputforward.Theprincipleandparametersofthecircuitwereintroducedindetail.Bythesimulatingmeasurementoftheexamplecircuit,themeasurementmethodandmeasurementerrorweredescribed.Theresultsindicatethatthephasedifferenceofanysinusoidalvoltagecanbemeasuredandshoweddirectlywithhighaccuracybythecircuit.Keyword:

Multisim;simulationanalysis;phasedifferencemeasurement;voltagemeasurement;instrumentamplifier;Borddia-graminstrumentO引言EDA技术在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大作用。

Multisim是一款功能强大的模拟与数字电路混合仿真软件，被广泛用于电子电路的仿真分析与设计。

相位差是关于正弦稳态电路分析研究中一个非常重要的参数，是比较2个同频率正弦信号之间相位关系的唯一指标。

在Multisim中，相位差的测量通常是借助于示波器测量显示的，如图1所示。

即用双踪示波器测量2个正弦信号初相位所对应的时间差AT，根据正弦信号一个周期r所对应的相位角度为3600的关系收稿日期：

2009-04-22△妒=妒，一妒：

=令；×3600

（1）观。

即不能直接读出相位差，而是测时间差通过计算转而得知，测量误差较大；二是不便捷。

由于示波器连接到电路时需要与电路“共地”，故只能测量电路中的电位信号，而不可测量文中提出了一种在Multisim中方便快捷的测量相位差的测量电路。

该测量电路可测量电路中任意两点间的电压信号，并可将其电位差及两点间的相位差直接显示出来。

┏━┓┣┳┫＼、╋＼≮！

／／-{十┻tz"rul：

撼需t:

46然，躲裂—湖2m-Tiii~凹吁啪——_“_v一{黼￡黪M黼ln删一。

。

一。

鬻i笋澎盏萨出|1∞mv加~f惭i_酬蛹}黼羟臻矧蕊loc㈣#┗┛图1用双踪示波器测量2个正弦信号的相位差第11期郝宁眉等：

Multisim仿真中的相位差测量47由测量放大器和波特图仪组成。

l孽：

源图2相位测量的电路结构框图1.1测量放大器的结构、工作原理与参数设置测量放大器由输入电路和差动放大电路组成，内部电路如图3所示。

测量放大器的作用是将元件两端的电位（对地）信号转变为两端电位之差的电压信号。

图3测量放大器的内部电路1.1.1测量放大器的结构与工作原理输入电路由输入电位器R。

．（Rw2）及运放UI（U2）组成。

输入电位器R。

．（Rw_）是用于扩大测量放大器的输入信号的线性范围，调节输入电位器R。

的比例p就可方便的改变输入信号的衰减比例。

运放U．（U：

）为电压跟随器，用于提高测量放大器的输入电阻。

差动放大电路由U3组成，取RiI=Ru=尺l，R2,=R21=R2，则Ⅱ。

=P鲁（“．；一“。

）。

可实现将2个输入端“对地”的电位信号H．，、“。

转变为电位差信号，即电压信号u。

．1.1.2测量放大器参数说明电路的输入电阻：

放大电路的输入电位器尺。

，和Rw2在设置时要选阻值较大一些，可减小测量电路对被测信号的影响。

（1）共模抑制比。

测量放大器的共模抑制比由输入电路的对称性和差动放大器共同决定。

将尺。

．和R..2的调节控制键均设为A，以便做相同比例的调节，使测量放大器的输入端获得良好的对称性；此外，应注意实际电路中的差模和共模信号幅度一般较大，需要考虑到运放对输入信号最大值的承受能力，可通过调节JR。

，和尺。

：

的衰减比例使最大输入信号的幅度在允许范围内。

（2）频率特性。

为了扩大测量放大器的工作频率范围，减小输出相位移，可将放大器中的运放参数UnitV-gain-BandwidthFU）修改为150MHz．利用Muhisim中的ACAnalysis功能，可测得测量放大器相频特性曲线，如图4所示。

相频特性的读数指针指示数据如图5所示。

图4测量放大器相频特性曲线1-'9.9512ki-9.2300m100.2417k:

'..-92.9797m马口Y丢9亏：

矗-83.7497m11.0750U-11.94031.000010.0000}{-9.2526-927.5276nO.00000.0000图S相频特性的读数指针指示数据由相频特性曲线可见，当信号频率小于10kHz时，测量放大器附加相位移，Acp≤0.叭。

；当信号频率大于100kHz时，Acp$0.1。

，可以认为信号频率在0~10kHz内附加相位移△妒—0。

将测量放大器在Multisim内创建为子电路。

启动Place菜单中的NewSubcircuit，输入子电路名，即可多次调用该子电路。

1.2波特图仪的相位差测量与显示Multisim中波特图仪类似于实际的扫频仪。

能够测量和显示电路的幅度频率特性和相位频率特性，可以用于测量一个信号的电压增益或相位移。

在Multisim中使用波特图仪仿真时，电路中必须有交流信号源，但其参数对波特图仪的频率分析结果无影响，即默认频率扫描交流信号源的幅度为lV，初相位为00，频率为波特图仪设定的扫描范围。

借助于波特图仪相频特性的测试功能，可测量出被测电压信号在指定频率（电路中激励信号的频率）处与扫描信号源（默认其初相位为0。

）之间的相位差，通过面板显示窗可显示相位差的数值，并可显示出相位的超前或滞后关系。

2相位差的测量2*1相位差测量相位测量的示例电路如图6所示。

测量前应对波特图仪面板参数做必要的设置。

波特图仪面板参数选择见图7。

Mode选Phase（即显示相频特性）；Horizontal选Lin，选扫描频率的范围满足：

I（初值）<晶号

~180。

；Controls下，在Set中将ResolutionPoincs设置为3>--v]~dac:

xgb.-cHx\\rlt{rdVJIH郝宁眉等：

Multisim仿真中的相位差测量孽：

源2相位测量的电路结构框图图3所示。

测量放大器的作用是将元件两端的电位（对地）信输入电路由输入电位器R。

．（Rw2）及运放UI（U2）组成。

输入电位器R。

．（Rw_）是用于扩大测量放大器的输入信号的线性范围，调节输入电位器R。

的比例p就可方便的改变输入信号的衰减比例。

运放U．（U：

）为电压跟随器，用于提高测量放大器的输入电阻。

差动放大电路由U3组成，取RiI=Ru=尺l，R2,=R21=R2，则Ⅱ。

=P鲁“．；一“。

）。

可实现将2个输入端对地的电位信号H，、“。

转变为电位差信号，即电压信号u。

．电路的输入电阻：

放大电路的输入电位器尺。

，和Rw2在设置时要选阻值较大一些，可减小测量电路对被测信号的影响。

（1）共模抑制比。

测量放大器的共模抑制比由输入电路的对称性和差动放大器共同决定。

将尺。

．和R..2的调节控制键均设为A，以便做相同比例的调节，使测量放大器的输入端获得良好的对称性；此外，应注意实际电路中的差模和共模信号幅度一般较大，需要考虑到运放对输入信号最大值的承受能力，可通过调节JR。

，和尺。

：

的衰减比例使最大输入信号的幅度在允许范围内。

FU）修改为150MHz．利用Muhisim中的ACAnalysis功能，可测得测量放大器相频特性曲线，如图4所示。

相频特性的读数指针指示数据如图5所示。

1-'9.9512ki-9.2300m100.2417k:

'..-92.9797m马口Y丢9亏：

矗-83.7497m11.0750U-11.94031.000010.0000}{-9.2526-927.5276nO.00000.0000由相频特性曲线可见，当信号频率小于10kHz时，测量放；当信号频率大于100kHz时，Acp$0.1，可以认为信号频率在0~10kHz内附加相位移△妒—0。

将测量放大器在Multisim内创建为子电路。

启动Place菜单中的NewSubcircuit，输入子电路名，即可多次调用该子电路。

1.2Multisim中波特图仪类似于实际的扫频仪。

能够测量和显示电路的幅度频率特性和相位频率特性，可以用于测量一个信号的电压增益或相位移。

在Multisim中使用波特图仪仿真时，电路中必须有交流信号源，但其参数对波特图仪的频率分析结果无影响，即默认频率扫描交流信号源的幅度为lV，初相位为00，频率为波特图仪设定的扫描范围。

借助于波特图仪相频特性的测试功能，可测量出被测电压信号在指定频率（电路中激励信号的频率）处与扫描信号源（默认其初相位为0）之间的相位差，通过面板显示窗可显示相位2相位差的测量2*1相位差测量相位测量的示例电路如图6所示。

测量前应对波特图仪Phase（即显示相频特性）；Horizontal选Lin，选扫描频率的范围满足：

I（初值）<晶号v]~dac:

xgb.-cH\rlt{rVJIH48InstrumentTechniqueandSensor最大即1000（可提高读数精度）。

测量时将波特图仪显示窗中读数指针移至信号频率处，显示窗下显示所测电压与扫描信号源之间的相位差值，也可以从基本工具栏的图形记录仪中读取数据，从而实现了相位差的直接测量和显示。

记录仪中的频率特性曲线如图8所示，读数指针指示数据如图9所示。

XBP1图6相位差测量的示例电路┏━┳━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃┃┃M峨_MaQnitude』rP7aisee一一┃┣━╋━┫┃┃┃┃Harizcdtal“rVerHcal-----，萨焉≈萨写≥1F一一弼●lI阿一再rCcrtmts---．．．，3……一一~…ReVerstlsd忖lSet...{┃┣━┻━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃●|o№：

kX2160哆．二U+#抽筘-+#o哇舞-┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛图7波特图仪面板参数选择及指针示数┏━━━━━┳━┳━┳━┳━┓┃┃┃┃┃┃┣━┳━┳━╋━╋━╋━╋━┫┃┃┃┃┃┃┃┃┣━╋━╋━╋━┻━╋━╋━┫┃┃┃┃┃┃┃┣━╋━╋━╋━━━╋━╋━┫┃┃┃┃┃┃┃┗━┻━┻━┻━━━┻━┻━┛100.80010220图8记录仪中的频率特性曲线2.2测量误差及分析在图6的测量示例电路中，电感电压相量及相位角、电阻电压相量及相位角可由下列各公式计算：

巩：

——』州。

∞-蛹￡砜：

——j州。

与堋妒。

：

90。

一。

m。

。

L-.1C

（2）（3）（4）l/dxl/dyminxmaxxniny魁axyJffsetxJf士setyir100.0000:

1.16E3.2155图9频率特性中读数指针指示数据wL一壶cpR=-arcLg-（5）’R在不同频率八山=2rrf下电感电压相位妒，．及电阻电压相位CPR的测量值与理论计算值如表l和表2所示，并比较之。

表1电感电压相位（pL┏━━━━━┳━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━┓┃f/kHz测量值，‘pI／（。

）计算值，妒IJ／（误差，I△妒I／（┃┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━┫┃0.11687.216168.2110.00599.53899.5440.0061017.90217.9150.0131.7311.8230.092┃┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━┫┃┃表2电阻l电压相位‘p。

┃┃┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━┫┃测量值，‘PL/（计算值，妒．|／（误差，IA‘pl/（0）78.21478.211O．00319.5369.5440.008-72.081-72.0850.004-88.269-88.177┃┗━━━━━┻━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━┛表l、表2中的数据表明相位差测量电路在IO~100kHz的频率范围内测量的绝对误差小于0.1。

。

实际上该相位测量电路最高测量频率仅受限于运放的高频特性，即运放电路的附加相位移Acp.3结论仿真实验结果表明，文中所设计的相位差测量电路在10~IOOkHz的频率范围内可实现对任意正弦电压的相位差进行测量，并且能显示出被测电压与扫描源电压之间相位的超前或滞后关系，测量的绝对误差小于0.10。

在绝大多数电路分析研究中，可以满足测量要求，很好地解决了