Исследование частотных характеристик в Multisim

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Презентация на тему
«Исследование частотных характеристик в
Multisim»
Выполнил студент группы _РСсд-31__
Захаров В.С.
Научный руководитель:
Похилько А.Ф.
Ульяновск 2025

2. Введение

Современные радиоэлектронные средства (РЭС) представляют собой сложные
устройства, работа которых зависит от множества факторов, включая частотные
характеристики их компонентов. Частотные характеристики определяют, как схема
реагирует на сигналы различной частоты, что критически важно при проектировании
усилителей, фильтров, генераторов и других узлов РЭС. Исследование этих характеристик
позволяет оптимизировать параметры схемы, обеспечить стабильность работы и
минимизировать искажения сигнала.
Одним из наиболее мощных инструментов для
анализа электронных схем является
программа Multisim. Она предоставляет
широкие возможности для моделирования
аналоговых, цифровых и смешанных схем,
включая анализ частотных характеристик,
временных процессов, шумов и нелинейных
эффектов.

3. Краткий обзор программы Multisim

Система схемотехнического моделирования
Multisim предназначена для моделирования и
анализа электрических схем. Multisimэлектронная лаборатория, позволяет сделать
изучение электрических схем более доступным.
Ошибки экспериментатора в реальной
лаборатории могут привести к большим
материальным потерям, в то время как, работая в
Multisim, учащийся застрахован от случайного
поражения током, а приборы не выйдут из строя
из-за неправильно собранной схемы.
Для начала работы с программным пакетом
необходимо загрузить систему и запустить
исполняемый файл Multisim.exe.

4.

Краткие теоретические сведения.
Основной характеристикой фильтра считается его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). По виду АЧХ
фильтры делятся на фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры,
режекторные фильтры и т.д.
Фильтры — это устройства, предназначенные для выборочного пропускания или подавления сигналов
определённых частот. Они классифицируются следующим образом:
1.Фильтры низких частот (ФНЧ) — пропускают сигналы с частотами ниже частоты среза.
2.Фильтры высоких частот (ФВЧ) — пропускают сигналы выше частоты среза.
3.Полосовые фильтры — пропускают сигналы в заданном диапазоне частот.
4.Заградительные фильтры (режекторные) — подавляют сигналы в узком диапазоне.
Основными характеристиками фильтров являются:
- АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) — зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты
входного;
- ФЧХ (фазо-частотная характеристика) — показывает изменение фазы выходного сигнала относительно
входного;
- Полоса пропускания — диапазон частот, в котором сигнал проходит без значительных искажений.

5. Основные методы измерения ФЧХ и АЧХ

1. Измерение с помощью вольтметра
Измерение амплитуды входного и выходного сигналов на
разных частотах. Простой и доступный метод.
2. Измерение с помощью двухканального осциллографа
Позволяет наблюдать одновременно входной и выходной
сигналы. Измерение амплитуды и времени задержки
сигналов для вычисления фазового сдвига.
3. Измерение с помощью плоттера Боде (Bode Plotter)
Автоматизированный инструмент для получения АЧХ и
ФЧХ в широком диапазоне частот. Позволяет быстро
получить графики с высокой точностью. Более сложен в
настройке и требует современного оборудования или
специализированного ПО.

6. Измерение АЧХ с помощью электронного вольтметра.

К выходным полюсам RC- цепи подключаем вольтметр
устанавливаем его в режиме переменного тока (AC).
Производим измерение выходного напряжения RC–цепи
в диапазоне частот fmin - fmax, начиная с частоты fmin ≈
200 Гц. Измерение производится включением режима
моделирования кнопкой ―Пуск. Вольтметр покажет
эффективное значение выходного напряжения U2, после
чего необходимо посчитать экспериментальное значение
коэффициента передачи. Изменять частоту генератора
можно так, чтобы выходное напряжение изменилось
примерно на 8 ÷ 12% от предыдущего значения. При
таком шаге изменения частоты входного сигнала вся
кривая разбивается примерно на 10 уровней, по которым
будет построена АЧХ. Значение частоты всегда можно
откорректировать.

7.

Исследование характеристик фильтров на примере ФНЧ (RC-цепь)
RC-фильтр первого порядка — это простейшая частотнозависимая
цепь, основное свойство которой определяется формулой
частоты среза:
Из этой формулы видно, что изменение любого из параметров (R
или C) напрямую влияет на частоту, при которой происходит спад
коэффициента передачи.
При увеличении сопротивления R:
• Частота среза снижается
• АЧХ смещается влево (фильтр становится "медленнее")
При уменьшении сопротивления:
• Частота среза повышается
• Фильтр начинает пропускать более высокие частоты

8.

Измерение ФЧХ с помощью двухканального осциллографа
При снятии ФЧХ нужно восстановить значения входного напряжения
и частоты генератора сигнала. Это значит, что ФЧХ будет измеряться
в тех же условиях, что и АЧХ. Установить цвета проводников сигналов
– входного красным, выходного – синим. Для этого необходимо
щелкнуть ПКМ по проводнику, в открывшемся меню выбрать
«Цвет сегмента». Затем, в появившемся окне выбрать нужный цвет.
Открыть переднюю панель осциллографа. Выставить параметры
осциллографа. В блоке «Развертка» установить шкалу
500 ms/Div и режим Y/T.
Произвести измерение сигналов включением режима
моделирования кнопкой ―Пуск. Это нужно делать при каждом
изменении параметров сигнала или цепи. Подвести красную и
синюю визирные линии в точки максимальных значений
соответственно входного и выходного сигналов.
В правом нижнем окне прочитать разность (T2 –T1),
равную смещению сигналов по оси времени.

9.

Исследование фильтра низких частот второго порядка
Выбор полинома определяет вид фильтра, а именно
равномерность его амплитудно-частотной характеристики
(АЧХ) в полосе пропускания и скорость убывания в
переходной зоне. Модель ФНЧ Баттерворта второго
порядка по схеме Саллена-Ки, реализованная в среде
Multisim. После установки приборов и запуска симуляции,
в окне боде плоттера прорисуется АЧХ исследуемой
модели.
Передвигая курсор в окне графика, можно исследовать
АЧХ модели – уточнить коэффициент усиления в полосе
пропускания, частоту среза, наклон АЧХ и т.д. Сейчас на
рисунке выше курсор стоит в точке графика на уровне
минус 3 dB относительно коэффициента усиления в
полосе пропускания т.е. на частоте среза. Видно, что
значение в этой точке практически совпадает с расчетной
частотой среза 10 кГц.

10.

Заключение
В ходе выполнения курсовой работы на тему "Исследование частотных характеристик в Multisim" были успешно
решены поставленные задачи, достигнута цель работы и получены значимые результаты. Проведенное
исследование позволило углубить понимание принципов частотного анализа электронных цепей и освоить
современные методы компьютерного моделирования.
Основные результаты работы:
Теоретическая часть работы систематизировала знания о:
-Ключевых характеристиках цепей: АЧХ, ФЧХ, коэффициенте передачи, частоте среза.
-Особенностях работы фильтров (ФНЧ, ФВЧ) и операционных усилителей.
Практическая часть включала:
-Моделирование RC-цепи с подтверждением теоретических расчетов частоты среза (1591 Гц) и характера спада
АЧХ (-20 дБ/дек).
-Исследование ФНЧ первого порядка с использованием различных инструментов Multisim (осциллограф, Бодеплоттер, вольтметр), что продемонстрировало их сравнительную точность.
-Анализ активного ФНЧ 2-го порядка.