第4章-MATLAB測量儀器與電子線路仿真

第4章MATLAB測量儀器與電子線路仿真4.1

電壓測量4.2

時域測量儀器4.3

微積分4.4

觸發(fā)器

4.5

分頻器4.6

信號合并4.1電壓測量 4.1.1指針式電壓表 指針式儀表將輸入的量值用圖形化的指針與相應(yīng)的刻度表示出來。指針式儀表因?yàn)橹羔様[動有慣性，通常適用于直流參數(shù)測量。 圖4-1所示為指針式電壓表仿真的模型,測量一個正弦波發(fā)生器的信號值的變化，并將信號頻率設(shè)置為0.1Hz，電壓表的指示范圍為0～100V，采用了一個取絕對值的模塊Abs（取自Simulink＼MathOperations），它也可以看成是全波整流器。仿真時，指針式電壓表的指針會隨著超低頻的脈動直流電壓而擺動。圖4-1指針式電壓表仿真框圖表4-1SineWave(正弦信號發(fā)生器)的主要參數(shù)

圖4-2所示是指針式電壓表當(dāng)激活標(biāo)簽Ticks時的參數(shù)設(shè)置對話框。激活不同的標(biāo)簽，可以彈出不同的對話框。在不同的對話框里，根據(jù)對話框的提示，即可完成參數(shù)的設(shè)置。如果沒有重新設(shè)置，就沿用原來的缺省設(shè)置。表4-2所示是ActiveXControl屬性對話框中各標(biāo)簽的列表。圖4-2指針式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框（激活標(biāo)簽Ticks）表4-3所示是LowerLeft(指針式電壓表)的主要參數(shù)。

圖4-2指針式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框（激活標(biāo)簽Ticks）表4-2ActiveXControl屬性對話框的標(biāo)簽內(nèi)容表4-3LowerLeft（指針式電壓表）的主要參數(shù) 4.1.2數(shù)字式電壓表 圖3-3顯示了數(shù)字式電壓表仿真的模型。由于使用了超低頻的正弦信號發(fā)生器作信號源（與上例相同），在演示時可以看清數(shù)字的變化而又不至于太快。仿真模型里采用了兩種數(shù)碼顯示器，大的數(shù)碼顯示器選自Dials&GaugesBlockset（撥號盤和儀表板）工具箱中的NumericDisplay模塊，小的數(shù)碼顯示器就選自Simulink的Sinks信宿模塊庫中的Scope模塊和Display模塊。表3-4顯示了Scope(示波器)的主要參數(shù)。表3-5顯示了Display(顯示器)的主要參數(shù)。圖4-3數(shù)字式電壓表仿真框圖表4-4Scope（示波器）的主要參數(shù)表4-5Display(顯示器)的主要參數(shù)

圖4-3中右上角的設(shè)備是通用數(shù)字發(fā)光二極管。圖4-4顯示了數(shù)字式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框。激活不同的標(biāo)簽，可以彈出不同的對話框。該對話框中有General（通用）、Library（庫）、Background（背景）等標(biāo)簽。表4-6顯示了GenericNumericLED（通用數(shù)字發(fā)光二極管）的主要參數(shù)。通過參數(shù)設(shè)置可以得到不同的背色，發(fā)光二極管的開啟、關(guān)閉的顏色，筆畫的寬度、間距，顯示器的位數(shù)等。圖4-4數(shù)字式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框表4-6GenericNumericLED（通用數(shù)字發(fā)光二極管）的主要參數(shù)4.2時域測量儀 4.2.1示波器 普通示波器最基本的構(gòu)成如下：

(1)Y（信號）通道設(shè)有寬帶（直流到高頻）放大器和與之相應(yīng)的步進(jìn)寬帶衰減器，以及直流電壓調(diào)節(jié)的位移旋鈕。它們共同作用可以實(shí)現(xiàn)將小到毫伏量級、大到幾百伏量級的電壓信號不失真地放大，或者衰減到若干伏量級的大小，與示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度相適應(yīng)，使得屏幕上顯示便于觀測和分析的圖像，得到合適的大小與位置的時域電波形。

(2)X（掃描）單元設(shè)有精密鋸齒波產(chǎn)生器(亦稱為時基系統(tǒng))、大動態(tài)范圍的線性放大器和相應(yīng)的觸發(fā)同步電路。應(yīng)用它們可將被觀測信號用不同檔次的時間坐標(biāo)展開，當(dāng)信號與掃描同步時，顯示的波形是穩(wěn)定的。 圖4-5所示是一個用Scope（示波器）顯示1GHz正弦波的例子（不是任何實(shí)驗(yàn)室中都有可以觀察1GHz正弦波的示波器）。在仿真條件下正確應(yīng)用Scope模塊，可以觀察任意頻率的信號。圖4-51GHz正弦波顯示仿真系統(tǒng)框圖用鼠標(biāo)左鍵雙擊仿真圖4-5中的Scope（示波器）模塊，彈出TimeScope顯示窗，如圖4-6所示。用鼠標(biāo)左鍵單擊圖4-6顯示窗上部工具欄中左起第二個圖標(biāo)，彈出的對話框如圖4-7所示，主要參數(shù)設(shè)置見表4-7。表4-8給出了仿真的起始和結(jié)束時間。圖4-61GHz正弦波的示波器顯示圖4-7示波器顯示對話框1表4-7Scope（示波器）的主要參數(shù)表4-8SimulationParameters仿真參數(shù)的設(shè)置

關(guān)鍵參數(shù)有兩個： （1)Timerange（時間范圍）。它決定了時窗的寬度，相當(dāng)于示波器的掃描速度開關(guān)。 頻率愈高的信號，自然需要短的時窗（高的掃描速度），信號關(guān)于時間快速變化的特性才能得以展現(xiàn)。本例中，1GHz的正弦信號一個周期為1×10-9s，在MATLAB中表示為T=1e-9，時間范圍設(shè)為5e-9（即5×10-9s），剛好顯示五個完整的正弦波。 （2)Sampletime（取樣時間）。通常為了還原出正弦波形，一個周期內(nèi)至少有20個取樣點(diǎn)。本例取2e-11s，也就是一個周期用50個點(diǎn)來描述。采樣點(diǎn)的多少，以能夠不失真地再現(xiàn)信號的波形為原則。圖4-8示波器顯示對話框2

表4-7中的帶“*”的參數(shù)設(shè)置，是在圖4-8所示的對話框里進(jìn)行的（將鼠標(biāo)置于圖4-6所示的顯示窗內(nèi)，單擊右鍵即可彈出該對話框）。對話框設(shè)置的參數(shù)決定了信號在顯示窗中的垂直方向的位置和大小，其作用類似于示波器Y衰減開關(guān)和Y位移電位器。寫上Title（標(biāo)題）以后看起來會一目了然。

4.2.2X-Y記錄儀

X-Y記錄儀是水平X、垂直Y方向都有輸入信號端子，與X、Y輸入端相連的放大器分別連接到顯示屏的水平與垂直偏轉(zhuǎn)板的示波器。最早的應(yīng)用是觀察李沙育圖形，用標(biāo)準(zhǔn)信號與待測信號形成的李沙育圖形來進(jìn)行頻率的測量。

圖4-11所示是一個用X-Y記錄儀顯示李沙育圖形的例子，分別用兩個不同頻率的正弦信號源接在X-Y記錄儀的水平與垂直的輸入端子上，X-Y記錄儀(XYGraph)上面的端口是X輸入端，下面的端口是Y輸入端。由于接Y端子（下）的信號頻率是接X端子（上）的信號頻率的四倍，李沙育圖形顯示了一個橫向排列的四個封閉圖形，如圖4-12所示。如果X信號頻率是Y信號頻率的四倍，圖4-12顯示的圖形將旋轉(zhuǎn)90°，成為縱向排列的四個封閉圖形。表4-13~表4-15分別顯示了X、Y輸入信號的兩個信號發(fā)生器、X-Y記錄儀、仿真時間的參數(shù)設(shè)置。圖4-11X-Y記錄儀應(yīng)用框圖圖4-12X-Y記錄儀顯示的李沙育圖形表4-13SignalGenerator（信號發(fā)生器）的主要參數(shù)表4-14X-Y記錄儀(XYGraph)的主要參數(shù)表4-15仿真參數(shù)設(shè)置4.3微積分

對信號進(jìn)行微積分運(yùn)算，可以用M文件編程。下面用一個小例子來說明應(yīng)用Simulink的方法進(jìn)行微積分運(yùn)算。圖4-34所示是信號微積分運(yùn)算的仿真系統(tǒng)框圖，圖4-35所示是信號微積分運(yùn)算的仿真結(jié)果。信號發(fā)生器輸出一個方波，示波器的三個輸入端（從上到下)分別輸入方波信號以及信號的微分和積分運(yùn)算的結(jié)果。可以看出，對應(yīng)方波的上下沿，微分有大的輸出，其余時間微分為零，在方波保持［-11］的區(qū)間，積分線性增長、線性下降。

圖4-34信號微積分運(yùn)算的仿真系統(tǒng)框圖圖4-35信號微積分運(yùn)算的仿真結(jié)果

微分和積分的模塊都來自Simulink＼Continuous庫中，微分模塊不需要設(shè)置，積分模塊的參數(shù)設(shè)置如表4-35所示。

表4-35Integrator（積分器）的主要參數(shù)

積分模塊有兩種工作模式：簡單積分方式（本例）和重置積分方式(當(dāng)設(shè)定的觸發(fā)信號到來時，模塊輸出重置為初始條件)。 當(dāng)激活I(lǐng)ntegrator(積分器)模塊時，彈出的對話框中的ExternalReset（外部復(fù)位）選項(xiàng)被置于None，模塊工作在簡單積分方式，此時不需要外部觸發(fā)信號輸入端口。選項(xiàng)被置于Rising、Falling、Either時模塊工作在重置積分方式，并且分別表示是用觸發(fā)信號的過零的上升沿、下降沿、上升及下降沿進(jìn)行重置的操作。此時，模塊多出一個觸發(fā)信號輸入端口。 初始條件源也有兩種：Internal（內(nèi)部）（本例）和External（外部）。初始條件為內(nèi)部時，由對話框內(nèi)的Initialcondition設(shè)定。初始條件為外部時，模塊多出一個初始條件輸入端口。

當(dāng)激活Limitoutput（限制輸出）時，可以在對話框中設(shè)定UppersaturationLimit（限幅上限）和LowersaturationLimit（限幅下限）。當(dāng)激活ShowsaturationPort（顯示限幅端口）時，可以從新增的限幅端口輸出限幅信息。 當(dāng)激活Showstateport（顯示狀態(tài)端口）時，可以從新增的狀態(tài)端口輸出狀態(tài)信息。

Absolutetolerance（絕對誤差）是設(shè)定模塊狀態(tài)的絕對誤差。表4-36所示是信號發(fā)生器的主要參數(shù)。表4-36SignalGenerator（信號發(fā)生器）的主要參數(shù)4.4觸發(fā)器

觸發(fā)器是電子工程中經(jīng)常用到的電路，在本節(jié)中用實(shí)例來說明應(yīng)用的方法。 圖4-36所示是觸發(fā)電路仿真演示框圖，在圖中觸發(fā)模塊是實(shí)現(xiàn)觸發(fā)的主要工具，圖中常數(shù)矢量設(shè)定為0。圖4-37所示是觸發(fā)電路仿真結(jié)果。圖4-38所示是觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)圖，激活圖中的Trigger，可以在彈出的對話框中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。圖4-36觸發(fā)電路仿真演示框圖圖4-37觸發(fā)電路仿真結(jié)果圖4-38觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在以圖4-37中顯示的結(jié)果來分析觸發(fā)的過程：

(1)示波器通道1顯示了作為觸發(fā)信號的信號發(fā)生器的方波，同時還顯示了等于零的基線以及被用作觸發(fā)取樣觀察的正弦信號。

(2)示波器通道2顯示了僅在方波信號過零的上升沿觸發(fā)時，采集到并保持的正弦信號的樣值。

(3)示波器通道3顯示了僅在方波信號過零的下降沿觸發(fā)時，采集到并保持的正弦信號的樣值。

(4)示波器通道4顯示了在方波信號過零的上升或下降沿觸發(fā)時，采集到并保持的正弦信號的樣值。

簡而言之，觸發(fā)電路是一個采樣保持電路，采樣的時刻取決于觸發(fā)信號的形狀和觸發(fā)方式的設(shè)定。 表4-37~表4-40分別給出了觸發(fā)電路仿真系統(tǒng)中各個模塊的主要參數(shù)。表4-37SignalGenerator（信號發(fā)生器）的主要參數(shù)表4-38SineWave（正弦信號發(fā)生器）的主要參數(shù)表4-39Scope（示波器）的主要參數(shù)表4-40Trigger（觸發(fā)電路）的主要參數(shù)4.5分頻器

分頻器應(yīng)用廣泛，下面用一示例說明使用方法。圖4-41所示是分頻器仿真框圖，其組成僅有三臺設(shè)備：脈沖發(fā)生器、分頻器（計數(shù)器）和示波器。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生周期為1s，占空比為50%，幅度為1的方波，饋入計數(shù)器，計數(shù)器設(shè)置為分頻器工作方式，本例中分頻比設(shè)為11，即每輸入11個脈沖，送出一個Hitdata（到達(dá)脈沖），Maximumcount（最大計數(shù)）是10，即分頻比減一。Initialcount（初始計數(shù)）表示計數(shù)器中開始計數(shù)的時刻，即計數(shù)器中原有的數(shù)，本例是0。

Hitvalue（到達(dá)值）表示在計數(shù)到第幾（本例是7）個脈沖時，開始輸出到達(dá)脈沖。自然在以后的計數(shù)分頻的過程中，都是在分頻周期的這一位置輸出到達(dá)脈沖。Output(輸出）設(shè)置決定了計數(shù)器有兩路輸出：第1路是cnt（計數(shù)），它的數(shù)值表示在本分頻周期內(nèi)記錄到多少個脈沖;第2路是hit（到達(dá)），就是分頻后的脈沖輸出。圖4-42所示是分頻器仿真結(jié)果。示波器從上到下分別顯示的是脈沖發(fā)生器的輸出、計數(shù)輸出、分頻脈沖的輸出?？梢钥闯?，分頻比是11，即到達(dá)脈沖的數(shù)量是原始脈沖數(shù)的1/11。計數(shù)輸出是從0到10（11個量值）變化，分頻脈沖在第8（即7+1）個脈沖時輸出。圖4-41分頻器仿真框圖圖4-42分頻器仿真結(jié)果

圖4-43所示是計數(shù)器參數(shù)設(shè)置對話框。表4-41所示是該對話框的主要參數(shù)。表4-42所示是PulseGenerator(脈沖信號發(fā)生器）的主要參數(shù)。Countdirection（計數(shù)方向）中Up（增加）表示加法計數(shù)，Down（減少）表示減法計數(shù)器。當(dāng)Countsize（計數(shù)長度）設(shè)定為8bit、16bit、32bit時，分頻比分別為28、216、232

。圖4-43計數(shù)器參數(shù)設(shè)置對話框表4-41Counter（計數(shù)器）的主要參數(shù)

用戶可以設(shè)定任意數(shù)的分頻比，確實(shí)十分方便。表4-43所示是示波器的主要參數(shù)。表4-42PulseGenerator（脈沖信號發(fā)生器）的主要參數(shù)表4-43Scope（示波器）的主要參數(shù)作業(yè)：利用Simulink的觸發(fā)子系統(tǒng)（TriggerSubsystem）對正弦信號分別進(jìn)行上升沿觸發(fā)（Rising）、下降沿觸發(fā)（Falling）