Multisim仿真軟件的相位差測量方法

潘蓉

摘要：Multisim為電路的仿真及測量提供了很多便捷的功能，但其在正弦穩(wěn)態(tài)等電路分析中測量電壓相位差存在誤差，為了解決這一問題，提出了Multisim軟件中“單一頻率交流分析法”。本文通過實(shí)例電路的仿真測量，說明了測量方法，由此證明了Multisim軟件中“單一頻率交流分析法”對相位差測量的精確性。

關(guān)鍵詞：Multisim 相位差測量 單一頻率交流分析法

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0240-02

Multisim是一款功能強(qiáng)大的模擬與數(shù)字電路混合仿真軟件，被廣泛應(yīng)用于模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和電路分析的仿真分析與設(shè)計。相位差是正弦穩(wěn)態(tài)電路分析中一個非常重要的參數(shù)，是比較兩個同頻率正弦信號之間的關(guān)系唯一指標(biāo)。在Multisim中，相位差的測量有三種方法：一是用雙蹤示波器和電流探針測量出兩個正弦信號的波形，然后拖動示波器面板上的測量指針，測量兩個正弦信號初相位對應(yīng)的時間差，再根據(jù)正弦信號一個周期對應(yīng)的相位角為360°，人工計算上述時間差相當(dāng)?shù)慕嵌取６撬矐B(tài)分析法測量出兩個正弦信號的波形，測量兩個正弦信號初相位對應(yīng)的時間差。相位差的計算方法和方法一完全相同。三是用“單一頻率交流分析”法。前兩種方法優(yōu)點(diǎn)是直觀，缺點(diǎn)是測量誤差大，但是“單一頻率交流分析”法可以準(zhǔn)確地測量出電路中任意一點(diǎn)電壓和電流的相位差。

1 Multisim軟件中單一頻率交流分析法介紹

單一頻率交流分析（Single Frequency AC Analysis）用來測試電路對某個特定頻率進(jìn)行交流頻率響應(yīng)分析的結(jié)果，該功能創(chuàng)建了某個特定頻率下電壓、電流和電源相量的文本輸出。分析結(jié)果以輸出信號的實(shí)部/虛部或者幅度/相位的形式給出。

首先創(chuàng)建需分析的電路圖，執(zhí)行Simulate →Analysis →Single Frequency AC Analysis命令，彈出Single Frequency AC Analysis對話框。對話框中有4個標(biāo)簽。Frequency parameters選項(xiàng)卡的Frequency文本框用來設(shè)置輸入信號的頻率，Output區(qū)中的兩個選項(xiàng)則分別設(shè)置分析結(jié)果中是否顯示分析頻率以及輸出信號以實(shí)部/虛部形式或以幅度/相位的形式顯示，選擇分析結(jié)果顯示信號頻率、分析值以幅度/相位的形式顯示。然后打開Output選項(xiàng)卡，選擇輸出變量，選擇電容電流和電壓為輸出變量，，最后單擊其下方的Simulate按鈕，得到分析結(jié)果，結(jié)果顯示電容兩端電壓和電流的有效值以及相位。這里特別需要指出，在Multisim仿真軟件中信號源的頻率可以任意設(shè)置，但是信號源的輸出電壓（有效值）系統(tǒng)已設(shè)置為1V，不能變動，即使將其設(shè)置為其他值，系統(tǒng)也仍然按1V進(jìn)行計算。

2 Multisim軟件中單一頻率交流分析應(yīng)用

利用上述分析方法及過程，分析如圖1所示的RLC串聯(lián)電路，以作分析和比較，電路中元件參數(shù)如圖所示，首先利用公式法得出理論結(jié)果以作比較：

（1-1）

（1-2）

（1-3）

（1-4）

由于，該電路屬于感性電路，相位上電流滯后電壓，電路的阻抗角為

（1-5）

即電流相位上落后電壓77.96°。

電容電壓的相位角計算結(jié)果如式（2-1）所示：

（2-1）

電感電壓的大小和相位角計算結(jié)果如式（3-1）所示：

（3-1）

電阻兩端電壓的相位計算結(jié)果如式（4-1）所示：

（4-1）

下面用“單一頻率交流分析”法解答該題。分析前在圖1的串聯(lián)電路任意處放置一個“測量探針”，接著對電源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，電源電壓有效值設(shè)置為10V，頻率為1kHz，初相角為0°，接著在AC Analysis Magnitude后面框中設(shè)置為10V，在AC Analysis Phase后面框中設(shè)置為0°。然后執(zhí)行菜單命令：Simulate →Analysis →Single Frequency AC Analysis ···，彈出的“單一頻率交流分析”參數(shù)設(shè)置對話框。首先將電源頻率設(shè)置為1kHz，選擇分析結(jié)果中要顯示的內(nèi)容和方式：顯示電源的頻率，并且以有效值和相位角顯示分析結(jié)果。在“輸出項(xiàng)”頁面中選擇I（Probe 1）和V（Probe 1）為分析對象，如圖2-1所示，然后單擊“輸出項(xiàng)”頁面下方的Simulate按鈕，彈出分析結(jié)果，如圖2-2所示：電流有效值為208.46mA，電流的相位角為-77.96°，電源電壓為10V，電源電壓的相位角為0°。與上述理論分析過程中式（1-4）和式（1-5）計算結(jié)果一致。

圖3-1是分析電容兩端電壓和相位角的電路。分析參數(shù)設(shè)置與圖1中的參數(shù)設(shè)置一致，分析結(jié)果如圖3-2所示，電源兩端電壓相位角為-167.96773°，電壓大小為3.318V。與上述理論分析過程中相位差式（2-1）計算結(jié)果一致。

圖4-1是分析電感兩端電壓和相位角的電路。為測量方便，必須將電感一端和地相連接，而“測試探針”必須放置在電感的非接地端，分析結(jié)果如圖4-2所示，電感電壓的相位角為12°。與上述理論分析過程中相位差式（3-1）計算結(jié)果一致。

圖5-1是分析電阻兩端電壓和相位角的電路。同樣將電阻的一端和地相連接，“測量探針”放置在電阻的另一端。分析結(jié)果如圖5-2所示，相位角為-77.96°。用計算法和“單一頻率交流分析”法得出的結(jié)果完全一致。

3 結(jié)語

本文給出了測量電路中相位差的一種精確并快速的方法，利用了仿真軟件Multisim中“單一頻率交流分析”的功能，比較了仿真與理論的計算結(jié)果，充分體現(xiàn)了仿真結(jié)果的精準(zhǔn)性，能夠滿足工程實(shí)踐的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]李學(xué)明，電路分析仿真實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]俞梁英，一種在Multisim中快捷測量相位差的仿真方法[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33.

[3]許志華，Multisim 中相位差測量電路的設(shè)計[J].應(yīng)用天地，2011，30（12）.

[4]郝寧眉，Multisim仿真中的相位差測量[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009，（11）.