【《基于Multisim仿真软件的某流量计系统调试与分析案例》2900字】

基于Multisim仿真软件的某流量计系统调试与分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u26507基于Multisim仿真软件的某流量计系统调试与分析案例 1274951.1系统仿真与调试 177241.1.1硬件系统仿真与调试 1223391.1.2软件仿真与调试 7211141.2测量试验 9238901.3小结 111.1系统仿真与调试1.1.1硬件系统仿真与调试硬件系统通过在Multisim仿真软件中对电路主要组成部分分别进行仿真。通过观察仿真结果，发现硬件结构存在的不足并进行调试，最终确定硬件系统能够完成超声波的发射驱动和信号接收处理等功能。首先了解硬件电路仿真软件Multisim。它是由NI公司开发的电路设计和标准SPICE仿真软件，能够对单片机、数字信号、电力电子等等领域进行设计研究辅助。应用Multisim建立仿真电路主要通过以下几个步骤：（1）打开Multisim仿真软件，其主工作窗口如如1.1所示。图1.1Multisim主工作窗口图Fig.1.1ThemainworkingwindowofMultisim根据硬件电路绘制仿真电路图，选取电路仿真元件。在Multisim中的基本放置中找到需要元件，并对元件进行参数设置。将元件放置到恰当的位置后用导线将它们连接成电路。仿真电路的连接如图1.2所示。图1.2仿真电路的连接图Fig.1.2Connectiondiagramofthesimulationcircuit搭建好仿真电路后，给与电路激励信号，运行仿真，观察仿真结果，并对电路进行调试。电路仿真运行图如图1.3所示。图1.3电路仿真运行图Fig.1.3Circuitsimulationrunningdiagram根据以上仿真步骤，对硬件系统主要功能电路进行仿真与调试，结果如下：（1）带通滤波电路仿真测试本文设计的带通滤波电路中心频率为1MHz，带宽200kHz，增益为0dB，其电路的幅频特性曲线如图1.4所示。图1.4带通滤波幅频特性曲线图Fig.1.4Amplitude-frequencycharacteristiccurveofband-passfilter该带通滤波电路的仿真结果如图1.5所示。由图中的波特显示仪结果得知，滤波电路的中心频率为981.235kHz，增益为-0.096dB，证明其滤波后得到的信号中心频率十分接近1MHz，达到了带通滤波要求的滤波效果。此电路输入1MHz正弦信号后输出的波形图如图1.6示。可以观察到，输出信号对于输入信号基本没有发生衰减，与输入波形基本保持同步，表明该带通滤波电路的设计能够很好地完成对接收到的声波信号的滤波，符合电路设计的要求。图1.5带通滤波电路仿真图Fig.1.5Simulationdiagramofband-passfiltercircuit图1.61MHz信号输入、输出的波形图Fig.1.6Waveformdiagramof1MHzsignalinputandoutput（2）混频电路调试对混频电路进行仿真，由于multisim仿真软件中没有LM1496模拟乘法器，所以根据其内部结构通过电路连接实现混频功能，观察仿真结果是否能达到系统设计的要求，仿真结果如图1.7所示。通过观察仿真结果，说明频差值相差100kHz的两正弦信号经过设计的混频电路后，输出波形的频率十分接近100kHz。说明混频电路很好的执行了混频工作，且达到了电路设计的要求，能够有效的输出信号频移波，实现超声波信号频移差的求解。图5.7混频电路仿真结果图Fig.5.7Simulationresultsofmixingcircuit在通过对实际电路进行电路通电、示波调试的过程中，偶尔会出现输出信号跳跃、中断的现象，需要稳定地调整电路连线，确保输入、输出信号的稳定，不断调整输入信号参数，观察在参数调整的整个范围内，输出信号的变化并总结规律。调试以1MHz信号作为基准信号，模拟输入信号与基准信号的频率差值在0.5kHz~表1.1混频测量数据Table1.1Mixingmeasurementdata模拟接收信号（MHz）实际频移值（Hz）测量频移值测量误差（‰）1.000110099.9820.18211.0005500499.9860.02091.0011k999.9610.04021.0055k1.00003k0.00001.0088k8.00001k0.00001.0110k10.0002k-0.01001.01212k12.0001k-0.00791.01515k11.0001k-0.0066由上表可以看出，当输入的两信号频差值较大时，混频电路的混频效果更佳，造成的误差很小，表明设计的混频电路能够满足系统对混频电路的要求。由于本文设计中进入混频电路的超声波信号经由带通滤波后频率在0.9MHz到1.1MHz之间，与基准信号的频差较大，该混频电路能够有效、精准的对接收到的声波信号进行混频处理，提高流量测量的精确度。（3）低通滤波电路调试低通滤波电路用于滤除信号中高频噪声，滤波前后的信号波形如图1.8。（a）滤波前信号波形图(b)滤波后信号波形图图1.8低通滤波效果图Fig.1.8Figure1.8ThediagramofLow-passfilteringeffect由于接收电路接收的声波信号存在噪声，信号经混频处理后变为低频信号，但噪声信号在整个接收电路处理过程中没有被完全的处理掉，在频移信号中还存在高频噪声，这就造成了信号波形的失调。经过低通滤波电路进行高频噪声滤除，留下低频、用于超声波流速求解的频移信号，信号波形清晰，完整性高，减轻了后续数据处理的负担，降低了噪声带来的误差。（4）DDS电路调试DDS电路产生频率为1MHz的正弦波，在示波器上显示的波形如图1.9所示。由波形图可以表明，DDS电路能够产生1MHz的正弦脉冲驱动信号，且信号稳定，说明由DSP芯片对AD9851的控制能够实现驱动信号的产生。图1.9DDS电路产生1MHz的正弦脉冲信号Fig.1.91MHzsinusoidalpulsesignalgeneratedbyDDScircuit1.1.2软件仿真与调试对于本文设计的软件系统，选用Matlab软件进行仿真。由于系统涉及用快速傅里叶变换算法对多普勒频移信号进行功率谱估计，再通过数字滤波的方法得到更精准的频移值，其中涉及大量的数据处理，应用Matlab软件可以更好的对设计的FFT算法和数字滤波程序进行仿真，验证其能否实现频谱估计和分析，得到接收信号的频移值。这里向Matlab输入一个掺杂有噪声信号的正弦模拟信号，该信号的产生过程如图1.10所示。通过本文设计的基2-时间抽取FFT算法，对其进行功率谱估计，得到的结果如图1.11所示。图1.10含噪声信号的正弦模拟信号的产生过程Fig.1.10Dopplersignalandpowerspectrumwaveforminthetimedomain图1.11信号的功率谱波形图Fig.1.11Signalpowerspectrumwaveform在Matlab软件中输入模拟信号，设置其中心频率分别为1MHz和1.1MHz，设置两个信号的采样频率相同，均为10MHz，且运算数据个数为512，对两信号进行FFT功率谱分析，得到的结果如图1.12、1.13所示。图1.121MHz信号的频谱图Fig.1.12Spectrogramof1MHzsignal图1.131.1MHz信号的频谱图Fig.1.13Spectrogramof1.1MHzsignal可以看出，两者得到的频谱信息经计算频移值为0.1MHz，能够还原信号本身特性，符合实际情况，证明本设计系统的FFT算法能够用于超声波接收信号的频移铺的分析和频移值的求解。1.2测量试验实验搭建的实验平台结构模型如图1.14所示，从整体直观的展示了实验环境。图1.14实验平台结构模型图Fig.1.14Thestructuremodeloftheexperimentalplatform实验搭建的具备恒压水箱蓄水、标准直径为50mm壁厚2.4mm的PVC管道输送、阀门控制流速的实验平台，实物如图1.15所示。恒压水箱是为了实现压强平衡，控制实验变量，确保管道出水流速均匀。超声波多普勒流量计发射频率为1MHz，采用调节装置水流流速进行多次试验。（a）搭建实验平台（b）换能器的安装图1.15流量测量实验平台Figure1.13Flowmeasurementexperimentplatform流量计实验测量所得的流量值与接收装置测量的流量值的比较如表1.2所示。由实验结果可以看出误差值基本小于2%，基本满足工业测量要求，说明设计的双声道超声波多普勒流量计可以用于生产生活水处理中流量的处理。表1.2流量值与测量的流量值的比较表Table1.2Comparisontableofflowvalueandstandardflowvalue标准值（m3测量值（m3相对误差（%）27.3529.682.1937.2337.851.6747.5648.321.6056.3157.961.5862.6161.421.2977.6478.931.6686.4287.651.4291.3597.211.95根据上表的数据可绘制出标准流量值与实验流量值的折线图，如图1.16所示。图1.16标准值与实验流量值的比较图Fig.1.16Comparisonofstandardvalueandtestflowvalue1.3小结本章从硬件系统、软件系统的仿真与调试、实验三个方面进行介绍。首先