Multisim仿真软件的相位差测量方法

潘蓉

摘要：Multisim为电路的仿真及测量提供了很多便捷的功能，但其在正弦稳态等电路分析中测量电压相位差存在误差，为了解决这一问题，提出了Multisim软件中“单一频率交流分析法”。本文通过实例电路的仿真测量，说明了测量方法，由此证明了Multisim软件中“单一频率交流分析法”对相位差测量的精确性。

关键词：Multisim 相位差测量 单一频率交流分析法

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0240-02

Multisim是一款功能强大的模拟与数字电路混合仿真软件，被广泛应用于模拟电子技术、数字电子技术和电路分析的仿真分析与设计。相位差是正弦稳态电路分析中一个非常重要的参数，是比较两个同频率正弦信号之间的关系唯一指标。在Multisim中，相位差的测量有三种方法：一是用双踪示波器和电流探针测量出两个正弦信号的波形，然后拖动示波器面板上的测量指针，测量两个正弦信号初相位对应的时间差，再根据正弦信号一个周期对应的相位角为360°，人工计算上述时间差相当的角度。二是瞬态分析法测量出两个正弦信号的波形，测量两个正弦信号初相位对应的时间差。相位差的计算方法和方法一完全相同。三是用“单一频率交流分析”法。前两种方法优点是直观，缺点是测量误差大，但是“单一频率交流分析”法可以准确地测量出电路中任意一点电压和电流的相位差。

1 Multisim软件中单一频率交流分析法介绍

单一频率交流分析（Single Frequency AC Analysis）用来测试电路对某个特定频率进行交流频率响应分析的结果，该功能创建了某个特定频率下电压、电流和电源相量的文本输出。分析结果以输出信号的实部/虚部或者幅度/相位的形式给出。

首先创建需分析的电路图，执行Simulate →Analysis →Single Frequency AC Analysis命令，弹出Single Frequency AC Analysis对话框。对话框中有4个标签。Frequency parameters选项卡的Frequency文本框用来设置输入信号的频率，Output区中的两个选项则分别设置分析结果中是否显示分析频率以及输出信号以实部/虚部形式或以幅度/相位的形式显示，选择分析结果显示信号频率、分析值以幅度/相位的形式显示。然后打开Output选项卡，选择输出变量，选择电容电流和电压为输出变量，，最后单击其下方的Simulate按钮，得到分析结果，结果显示电容两端电压和电流的有效值以及相位。这里特别需要指出，在Multisim仿真软件中信号源的频率可以任意设置，但是信号源的输出电压（有效值）系统已设置为1V，不能变动，即使将其设置为其他值，系统也仍然按1V进行计算。

2 Multisim软件中单一频率交流分析应用

利用上述分析方法及过程，分析如图1所示的RLC串联电路，以作分析和比较，电路中元件参数如图所示，首先利用公式法得出理论结果以作比较：

（1-1）

（1-2）

（1-3）

（1-4）

由于，该电路属于感性电路，相位上电流滞后电压，电路的阻抗角为

（1-5）

即电流相位上落后电压77.96°。

电容电压的相位角计算结果如式（2-1）所示：

（2-1）

电感电压的大小和相位角计算结果如式（3-1）所示：

（3-1）

电阻两端电压的相位计算结果如式（4-1）所示：

（4-1）

下面用“单一频率交流分析”法解答该题。分析前在图1的串联电路任意处放置一个“测量探针”，接着对电源的参数进行设置，电源电压有效值设置为10V，频率为1kHz，初相角为0°，接着在AC Analysis Magnitude后面框中设置为10V，在AC Analysis Phase后面框中设置为0°。然后执行菜单命令：Simulate →Analysis →Single Frequency AC Analysis ···，弹出的“单一频率交流分析”参数设置对话框。首先将电源频率设置为1kHz，选择分析结果中要显示的内容和方式：显示电源的频率，并且以有效值和相位角显示分析结果。在“输出项”页面中选择I（Probe 1）和V（Probe 1）为分析对象，如图2-1所示，然后单击“输出项”页面下方的Simulate按钮，弹出分析结果，如图2-2所示：电流有效值为208.46mA，电流的相位角为-77.96°，电源电压为10V，电源电压的相位角为0°。与上述理论分析过程中式（1-4）和式（1-5）计算结果一致。

图3-1是分析电容两端电压和相位角的电路。分析参数设置与图1中的参数设置一致，分析结果如图3-2所示，电源两端电压相位角为-167.96773°，电压大小为3.318V。与上述理论分析过程中相位差式（2-1）计算结果一致。

图4-1是分析电感两端电压和相位角的电路。为测量方便，必须将电感一端和地相连接，而“测试探针”必须放置在电感的非接地端，分析结果如图4-2所示，电感电压的相位角为12°。与上述理论分析过程中相位差式（3-1）计算结果一致。

图5-1是分析电阻两端电压和相位角的电路。同样将电阻的一端和地相连接，“测量探针”放置在电阻的另一端。分析结果如图5-2所示，相位角为-77.96°。用计算法和“单一频率交流分析”法得出的结果完全一致。

3 结语

本文给出了测量电路中相位差的一种精确并快速的方法，利用了仿真软件Multisim中“单一频率交流分析”的功能，比较了仿真与理论的计算结果，充分体现了仿真结果的精准性，能够满足工程实践的需要。

参考文献

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