MATLAB测量仪器与电子线路仿真.ppt

第4章MATLAB测量仪器与电子线路仿真 4 1电压测量4 2时频域的测量仪器4 3信号合并4 4微积分 4 5触发器4 6分频器 4 1电压测量 4 1 1指针式电压表 指针式仪表将输入的量值用图形化的指针与相应的刻度表示出来 指针式仪表因为指针摆动有惯性 通常适用于直流参数测量 图3 1所示为指针式电压表仿真的模型 测量一个正弦波发生器的信号值的变化 并将信号频率设置为0 1Hz 电压表的指示范围为0 100V 采用了一个取绝对值的模块Abs 取自Simulink MathOperations 它也可以看成是全波整流器 仿真时 指针式电压表的指针会随着超低频的脉动直流电压而摆动 图4 1指针式电压表仿真框图 表4 1SineWave 正弦信号发生器 的主要参数 图4 2所示是指针式电压表当激活标签Ticks时的参数设置对话框 激活不同的标签 可以弹出不同的对话框 在不同的对话框里 根据对话框的提示 即可完成参数的设置 如果没有重新设置 就沿用原来的缺省设置 表4 2所示是ActiveXControl属性对话框中各标签的列表 图4 2指针式电压表参数设置对话框 激活标签Ticks 表4 3所示是LowerLeft 指针式电压表 的主要参数 图4 2指针式电压表参数设置对话框 激活标签Ticks 表4 2ActiveXControl属性对话框的标签内容 表4 3LowerLeft 指针式电压表 的主要参数 4 1 2数字式电压表 图3 3显示了数字式电压表仿真的模型 由于使用了超低频的正弦信号发生器作信号源 与上例相同 在演示时可以看清数字的变化而又不至于太快 仿真模型里采用了两种数码显示器 大的数码显示器选自Dials GaugesBlockset 拨号盘和仪表板 工具箱中的NumericDisplay模块 小的数码显示器就选自Simulink的Sinks信宿模块库中的Scope模块和Display模块 表3 4显示了Scope 示波器 的主要参数 表3 5显示了Display 显示器 的主要参数 图4 3数字式电压表仿真框图 表4 4Scope 示波器 的主要参数 表4 5Display 显示器 的主要参数 图4 3中右上角的设备是通用数字发光二极管 图4 4显示了数字式电压表参数设置对话框 激活不同的标签 可以弹出不同的对话框 该对话框中有General 通用 Library 库 Background 背景 等标签 表4 6显示了GenericNumericLED 通用数字发光二极管 的主要参数 通过参数设置可以得到不同的背色 发光二极管的开启 关闭的颜色 笔画的宽度 间距 显示器的位数等 图4 4数字式电压表参数设置对话框 表4 6GenericNumericLED 通用数字发光二极管 的主要参数 4 2时频域的测量仪 4 2 1示波器 普通示波器最基本的构成如下 1 Y 信号 通道设有宽带 直流到高频 放大器和与之相应的步进宽带衰减器 以及直流电压调节的位移旋钮 它们共同作用可以实现将小到毫伏量级 大到几百伏量级的电压信号不失真地放大 或者衰减到若干伏量级的大小 与示波管的偏转灵敏度相适应 使得屏幕上显示便于观测和分析的图像 得到合适的大小与位置的时域电波形 2 X 扫描 单元设有精密锯齿波产生器 亦称为时基系统 大动态范围的线性放大器和相应的触发同步电路 应用它们可将被观测信号用不同档次的时间坐标展开 当信号与扫描同步时 显示的波形是稳定的 图4 5所示是一个用Scope 示波器 显示1GHz正弦波的例子 不是任何实验室中都有可以观察1GHz正弦波的示波器 在仿真条件下正确应用Scope模块 可以观察任意频率的信号 图4 51GHz正弦波显示仿真系统框图 用鼠标左键双击仿真图4 5中的Scope 示波器 模块 弹出TimeScope显示窗 如图4 6所示 用鼠标左键单击图4 6显示窗上部工具栏中左起第二个图标 弹出的对话框如图4 7所示 主要参数设置见表4 7 表4 8给出了仿真的起始和结束时间 图4 61GHz正弦波的示波器显示 图4 7示波器显示对话框1 表4 7Scope 示波器 的主要参数 表4 8SimulationParameters仿真参数的设置 关键参数有两个 1 Timerange 时间范围 它决定了时窗的宽度 相当于示波器的扫描速度开关 频率愈高的信号 自然需要短的时窗 高的扫描速度 信号关于时间快速变化的特性才能得以展现 本例中 1GHz的正弦信号一个周期为1 10 9 s 在MATLAB中表示为T 1e 9 时间范围设为5e 9 即5 10 9s 刚好显示五个完整的正弦波 2 Sampletime 取样时间 通常为了还原出正弦波形 一个周期内至少有20个取样点 本例取2e 11s 也就是一个周期用50个点来描述 采样点的多少 以能够不失真地再现信号的波形为原则 图4 8示波器显示对话框2 表4 7中的带 的参数设置 是在图4 8所示的对话框里进行的 将鼠标置于图4 6所示的显示窗内 单击右键即可弹出该对话框 对话框设置的参数决定了信号在显示窗中的垂直方向的位置和大小 其作用类似于示波器Y衰减开关和Y位移电位器 写上Title 标题 以后看起来会一目了然 下面是示波器另一应用的例子 多踪示波器 图4 9所示是一个用示波器显示七踪信号的仿真系统 图4 10所示是示波器显示的波形 实践中的多踪示波器多数为双踪 四踪的已经非常少见 MATLAB仿真中可以构建任意多踪示波器 视需要而定 本例中使用一个七踪信号源 伯努利信号发生器 参数设置参看表4 9 该随机数发生器可以设定 Probability ofazero 零出现的概率 本例设为0 5 即1和0出现的概率都是50 一个由0 5组成的1行7列的矢量 以及表示7个不同的种子InitialSeed的另一个1行7列的矢量 共同决定了发生器产生7列不同的二进制随机数 它们的0出现的概率都是50 在较复杂的电路仿真时也可以用7个不同的信号送入示波器观察 图4 9七踪信号显示在同一示波器上的仿真框图 图4 10七踪信号显示在同一示波器上 其次是有一个Constant 常数矢量 它是一个7列的行矢量 在运行时叠加在信号发生器输出的7列数据流上 譬如第7列信号的每一个值加上了3 6 相当于直流电平增加了 3 6V 在示波器上波形垂直平移了3 6V 等效于调节了示波器的垂直位移旋钮 应用这样的方法可以将每一列信号移动到希望摆放的位置 示波器参数设置时 应考虑到多踪信号与常数矢量叠加后 在垂直方向占有较大的空间 Y量程的上 下限Y max Y min设置范围不够大时 有的信号就看不见了 在屏幕外 表4 9 表4 11分别给出了信号源 常数 示波器的主要参数 表3 12显示了图4 9所示仿真系统的Simulationparameters 仿真时间参数 的设置 表4 9BernoulliRandomBinaryGenerat 伯努利二进制随机数产生器 的主要参数 表4 10Constant 常数 的主要参数 表4 11Scope 示波器 的主要参数 表3 12SimulationParameters仿真参数的设置 4 2 2X Y记录仪 X Y记录仪是水平X 垂直Y方向都有输入信号端子 与X Y输入端相连的放大器分别连接到显示屏的水平与垂直偏转板的示波器 最早的应用是观察李沙育图形 用标准信号与待测信号形成的李沙育图形来进行频率的测量 图4 11所示是一个用X Y记录仪显示李沙育图形的例子 分别用两个不同频率的正弦信号源接在X Y记录仪的水平与垂直的输入端子上 X Y记录仪 XYGraph 上面的端口是X输入端 下面的端口是Y输入端 由于接Y端子 下 的信号频率是接X端子 上 的信号频率的四倍 李沙育图形显示了一个横向排列的四个封闭图形 如图4 12所示 如果X信号频率是Y信号频率的四倍 图4 12显示的图形将旋转90 成为纵向排列的四个封闭图形 表4 13 表4 15分别显示了X Y输入信号的两个信号发生器 X Y记录仪 仿真时间的参数设置 图4 11X Y记录仪应用框图 图4 12X Y记录仪显示的李沙育图形 表4 13SignalGenerator 信号发生器 的主要参数 表4 14X Y记录仪 XYGraph 的主要参数 表4 15仿真参数设置 4 2 3频谱仪 信号与系统频率域特性的测量与时间域的测量同样重要 在一些特定的环境下 频率域特性的获取甚至是不可取代的 下面介绍频谱仪的参数设置 图4 22所示是图4 5中的SpectrumScope 频谱仪 显示的1GHz信号的频谱 表4 22所示是用鼠标点击图4 5中的SpectrumScope 频谱仪 后 弹出的对话框 如图4 23 图4 24所示 中的参数设置内容 图4 22图4 5中的频谱仪显示的1GHz信号的频谱 表4 22SpectrumScope 频谱仪 的主要参数 图4 23频谱仪参数设置对话框 激活Showaxisproperties 频谱仪参数设置要点如下 1 频谱仪应用快速傅立叶变换FFT完成数据流从时域到频域的变换 首先将时域的数据流取出一段来 FFTsize 快速傅立叶变换的长度 确定为N 以便进行FFT的运算 通常要求N是2的幂 正因为要取出长度为N的一段数据 就需要设置相应长度的Buffersize 缓存长度 通常这两个长度是一样的 N的大小 即时窗的长短 决定了频谱仪的分辨率 时窗N愈长 频率分辨率愈高 可以将相隔很近的谱线区分开来 但是计算出相关结果所需要的时间也愈长 数据流分段的方法会影响FFT的结果 分段时Bufferoverlap 重叠的长度 Numberofspectralaverages 频谱数据的平均数 会影响频谱特性的平滑程度 这两个数值愈大 特性愈平滑 时窗愈长 重叠的长度愈长 计算的时间就愈长 即频谱出现的时间延迟就要长一些 2 希望所研究的谱线内容出现在频谱仪显示窗的中间部分 能看到在频率轴上谱线的低端和高端的情况 以便于观察和分析 要做到这一点 频谱仪显示窗所能显示的最大值应为输入信号频率的两倍 参数中的FrequencyRange 频率范围 若选 0 Fs 2 Fs就是采样频率 亦是采样时间的倒数 此时 采样频率是频谱仪显示窗的中点频率的4倍 3 注意频谱仪的采样频率与被测信号的采样频率要一致 4 在双击频谱仪模块后 从弹出的参数设置对话框中可以发现有四种激活Show 显示 的选项 下面是对激活每种选项能够进行设置的参数的介绍 当激活Showaxisproperties 显示坐标轴特性 时 弹出图4 23所示的对话框 它用于设定采样时间 频率范围 坐标刻度是对数还是线性 Y轴显示的范围等与显示窗的水平垂直坐标刻度有关的量 当激活Showscopeproperties 显示示波器特性 时 弹出图4 24所示的对话框 它用于设定存储器长度 FFT长度 交叠的长度 计算平均值的点数等与计算快速傅立叶变换的方法有关的量 当激活Showdisplayproperties 显示特性 时 弹出的对话框可设定 显示时是否加Showgrid 坐标刻度线 是否保持所有的显示内容Persistence 长余辉 显示窗口是否有legend 图例 是否有Framenumber 帧数显示 等 当激活Showlineproperties 线条特性 时 弹出的对话框可设定与线条显示有关的参数 如Linevisibility 可视性 Styles 线形 Markers 标记 Colors 颜色 等 图4 24频谱仪参数设置对话框 激活Showscopeproperties 4 FM频率调制信号带宽试验 FM信号的占带宽度与频率调制指数m有关 m是最大频偏与调制频率的比值 m值不同 频谱特性用不同的贝塞尔函数族描述 图4 30所示是两个调频信号的频谱分布仿真试验系统 图4 31所示是频谱分布图 本例中观测两个幅度为1 频率为50Hz的正弦信号 分别调制在1000Hz和1400Hz的载频上 调制指数m均为2 图4 31显示了以两个载频 1000Hz和1400Hz 为中心 两族自变量为m 2 的J k m 贝塞尔函数族的频谱特性 如果改变载频的间距 变小 或者调制指数 变大 将看到两族谱线的重叠 图4 30两个调频信号的频谱分布试验 图4 31两个调频信号的频谱分布图 表4 27 表4 28所示是两个信号发生器 两个频率调制 FM 器的主要参数设置 表4 29所示是频谱仪的主要参数设置 表4 27SignalGenerator 信号发生器 的主要参数 表4 28FMModulationPassband 通带频率调制器 的主要参数 表4 29SpectrumScope 频谱仪 的主要参数 调制常数取100Hz V 调制频率的幅度为1V 最大频偏即为100Hz 调制频率为50Hz 调制指数即为 m 100 50 2 采样时间设置为Ts 0 0002 Fs 5kHz 以0 Fs 2方式显示时 1 25kHz处于屏幕的中心 1kHz与1 4kHz基本平均地分布在中线的两旁 此处设定了采样时间 输入频谱仪的已经是数字信号 频谱仪前不必再用零阶采样保持电路 4 3信号合并 图4 32所示是信号合并的仿真系统框图 图中正弦信号和锯齿波发生器产生的信号通过两个交替打开的门控电路 在信号合并 叠加 模块Merge中合成为一路信号 并在示波器中显示 在仿真系统中采用方波信号发生器的输出作为门控信号 图4 33所示是信号合并的仿真结果 图4 32信号合并的仿真系统框图 图4 33信号合并的系统仿真结果 表4 30 表4 34分别给出了信号合并仿真系统中各个模块的主要参数 表4 30Merge 信号合并器 的主要参数 表4 31SineWave 正弦信号发生器 的主要参数 表4 32RepeatingTable 重复序列信号发生器 的主要参数 表4 33PulseGenerator 脉冲信号发生器 的主要参数 表4 34Scope 示波器 的主要参数 4 4微积分 对信号进行微积分运算 可以用M文件编程 下面用一个小例子来说明应用Simulink的方法进行微积分运算 图4 34所示是信号微积分运算的仿真系统框图 图4 35所示是信号微积分运算的仿真结果 信号发生器输出一个方波 示波器的三个输入端 从上到下 分别输入方波信号以及信号的微分和积分运算的结果 可以看出 对应方波的上下沿 微分有大的输出 其余时间微分为零 在方波保持 11 的区间 积分线性增长 线性下降 图4 34信号微积分运算的仿真系统框图 图4 35信号微积分运算的仿真结果 微分和积分的模块都来自Simulink Continuous库中 微分模块不需要设置 积分模块的参数设置如表4 35所示 表4 35Integrator 积分器 的主要参数 积分模块有两种工作模式 简单积分方式 本例 和重置积分方式 当设定的触发信号到来时 模块输出重置为初始条件 当激活Integrator 积分器 模块时 弹出的对话框中的ExternalReset 外部复位 选项被置于None 模块工作在简单积分方式 此时不需要外部触发信号输入端口 选项被置于Rising Falling Either时模块工作在重置积分方式 并且分别表示是用触发信号的过零的上升沿 下降沿 上升及下降沿进行重置的操作 此时 模块多出一个触发信号输入端口 初始条件源也有两种 Internal 内部 本例 和External 外部 初始条件为内部时 由对话框内的Initialcondition设定 初始条件为外部时 模块多出一个初始条件输入端口 当激活Limitoutput 限制输出 时 可以在对话框中设定UppersaturationLimit 限幅上限 和LowersaturationLimit 限幅下限 当激活ShowsaturationPort 显示限幅端口 时 可以从新增的限幅端口输出限幅信息 当激活Showstateport 显示状态端口 时 可以从新增的状态端口输出状态信息 Absolutetolerance 绝对误差 是设定模块状态的绝对误差 表4 36所示是信号发生器的主要参数 表4 36SignalGenerator 信号发生器 的主要参数 4 5触发器 触发器是电子工程中经常用到的电路 在本节中用实例来说明应用的方法 图4 36所示是触发电路仿真演示框图 在图中触发模块是实现触发的主要工具 图中常数矢量设定为0 图4 37所示是触发电路仿真结果 图4 38所示是触发电路结构图 激活图中的Trigger 可以在弹出的对话框中进行参数设置 图4 36触发电路仿真演示框图 图4 37触发电路仿真结果 图4 38触发电路结构 现在以图4 37中显示的结果来分析触发的过程 1 示波器通道1显示了作为触发信号的信号发生器的方波 同时还显示了等于零的基线以及被用作触发取样观察的正弦信号 2 示波器通道2显示了仅在方波信号过零的上升沿触发时 采集到并保持的正弦信号的样值 3 示波器通道3显示了仅在方波信号过零的下降沿触发时 采集到并保持的正弦信号的样值 4 示波器通道4显示了在方波信号过零的上升或下降沿触发时 采集到并保持的正弦信号的样值 简而言之 触发电路是一个采样保持电路 采样的时刻取决于触发信号的形状和触发方式的设定 表4 37 表4 40分别给出了触发电路仿真系统中各个模块的主要参数 表4 37SignalGenerator 信号发生器 的主要参数 表4 38SineWave 正弦信号发生器 的主要参数 表4 39Scope 示波器 的主要参数 表4 40Trigger 触发电路 的主要参数 4 4分频器 分频器应用广泛 下面用一示例说明使用方法 图4 41所示是分频器仿真框图 其组成仅有三台设备 脉冲发生器 分频器 计数器 和示波器 脉冲发生器产生周期为1s 占空比为50 幅度为1的方波 馈入计数器 计数器设置为分频器工作方式 本例中分频比设为11 即每输入11个脉冲 送出一个Hitdata 到达脉冲 Maximumcount 最大计数 是10 即分频比减一 Initialcount 初始计数 表示计数器中开始计数的时刻 即计数器中原有的数 本例是0 Hitvalue