《虚拟仪器的使用》PPT课件.ppt

1、第3章 Multisim9 虚拟仪器,1概述,2交流和直流测量类仪器,3数字逻辑测试类仪器,4射频测量类仪器,5 仿真仪器,本章主要内容,3.1 概述,3.1.1虚拟仪器的介绍,虚拟仪器：（Virtual Instrumention)是基于计算机的仪器。 计算机和仪器紧密结合是目前仪器发展的一个方向。 二者结合方式有2种： 将计算机装入仪器：智能仪器 将仪器装入计算机：虚拟仪器,虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统,从Multisim9开始，用户可以利用虚拟仪器编程软件LabView定制自己的虚拟仪器,软件中，虚拟仪器的都有图标，符号和仪器面板3个外观图,图标,符号图,仪器面板,

2、3.1.2 虚拟仪器的主要特点,仿真的同时可以改变设置 仿真的同时重新连接仪器端子 在一个电路图中可以使用多个同样的仪器 仪器的设置和显示数据可以与电路图一起保存 仪器面板可以根据屏幕分辨率和显示模式自动改变大小,3.1.3 虚拟仪器的分类,可以分为6大类： 交流和直流测量类仪器：函数发生器、万用表、双通道示波器， 4通道示波器、功率表、伏安特性分析仪 频率计，扫描仪，失真度分析仪 数字逻辑测试类仪器：逻辑分析仪、逻辑转换仪和字函数发生器 射频测量类仪器：频谱分析仪和网络分析仪 仿真仪器：安捷伦信号发生器、安捷伦数字万用表、安捷伦数字示波器 泰克数字示波器 测量笔 基于LabVIEW仪器：La

3、bVIEW的麦克风，扬声器、信号分析仪和信号发生器,3.1.4虚拟仪器的添加和使用,1 仪器添加的操作步骤： （1）在仪器工具栏单击需添加的仪器按钮图标 （2）在绘图区合适的地方单击鼠标左键 （3）单击仪器符号的连线端子，移动鼠标到电路图的连接位置。,练习31 在练习25的电路中 添加函数发生器和 逻辑分析仪。,2 设置仪表,方法：双击图中虚拟仪器的图标，在面板中设置有关参数,练习32,对练习31中的函数发生器和逻辑分析仪做如下设置,设置时钟源为外部，其他采用默认,设置 波形：方波 频率：500HZ 占空比：10 振幅：5V 偏移：0V 其他默认值,3仿真分析,开启仿真功能的方法： Simul

4、ate（仿真）/Run（运行） 仿真开关 按F5键,练习33,A 对练习32电路进行仿真 步骤： 1做好仿真准备，对开关J1，J2进行设置。 双击J1图标，弹出对话框，在参数选项卡中转换开关键设为“E” 双击J2图标，转换开关键设为“L” 2单击Simulate（仿真）/Run（运行） 3观察仿真结果,问题：（1）按下E键，L键，改变J1状态， 改变J2状态，观察数码管的状态 填写下表，总结74LS190的LOAD 端和CTEN端有何作用？,（2）改变计数器脉冲信号的频率,观察频率的高低对数码管的显示有何影响？,（3）该电路为几进制加法还是减法计数器？,（4）观察逻辑分析仪的结果，看逻辑分析仪

5、的结果与（3）答案是否相符？,B 74LS190是一个BCD码可逆计数器，若U/D端置0，为十进制加法计数器置1，为减法计数器。 对32的电路如何修改可以变为减法计数器？ 如何修改可以变成一个可控的可逆计数器？,本次练习检查要求： 1）练习32的电路，仿真结果，问题（1）（2）（3）（4）的答案 2）练习33B部分的设计结果,3.2交流和直流测量类仪器,电压表和电流表,数字万用表（Multimeter）,函数发生器（Function Generator）,双通道示波器（Oscilloscope）,四通道示波器（4 Channel Oscilloscope）,失真度仪（Distortion An

6、alyzer）,频率计（Frequency couter）,功率表（Wattmeter）,IV分析仪（IV Analyzer）,波特图仪（Bode Plotter）,(存放在指示元器件库中),Voltmeter,Ammeter,3.2.1电压表和电流表,练习34,练习使用电流表和电压表,利用电流表和电压表测试下图中D3上的电压，及流过的电流 画出测试电路。,若二极管反向，电压表和电流表又该如何接？ 提示：要考虑仪表内阻引起的测量误差。 二极管正向时电压很小，反向时电流很小 参考教材：P2,3.2.2 数字万用表（Multimeter）,Multisim 9提供的万用表外观和操作与实际的万用表相

7、似，可以测电流A、电压V、电阻和分贝值db，测直流或交流信号。万用表有正极和负极两个引线端 。,测量支路电流时，万用表串连于电路 测量电压和电阻时，万用表并联于被测元器件,思考：测电流、电压及电阻时 万用表接法有何不同,练习35,1 利用万用表测量图中电源提供的总电流 测量R1和R3上的电压。 要求：画出测量电路 记录万用表的测量结果,2 测量R1和R2两端的电阻 要求：画出测量电路，记录测量值,提示：R1在Basic/POTENTIOMETER,3.2.3函数发生器（Function Generator）,Multisim 9提供的函数发生器可以产生正弦波、三角波和矩形波，信号频率可在1Hz

8、到999MHz范围内调整。信号的幅值以及占空比等参数也可以根据需要进行调节。信号发生器有三个引线端口：负极、正极和地,连接规则： 信号发生器图标上有，GND， 连接和GND，输出正极性信号 连接和GND，输出负极性信号 连接和，输出幅值等于信号发生器的有效值2倍 连接，GND和，输出两个幅值相等，极性相反的信号,3.2.4 双通道示波器（Oscilloscope）,Multisim 9提供的双通道示波器与实际的示波器外观和基本操作基本相同，该示波器可以观察一路或两路信号波形的形状，分析被测周期信号的幅值和频率，时间基准可在秒直至纳秒范围内调节。示波器图标有6个连接点：A通道输入正负极、B通道输

9、入正负极、外触发端T正负极.,与真实示波器区别:负极可以接地,也可以不接地,练习36 绘制如下电路图，并设置示波器的参数，使示波器显示如下波形,参考教材：P271 李萨如图,3.2.5四通道示波器（4 Channel Oscilloscope）,四通道示波器与双通道示波器的使用方法和参数调整方式完全一样，只是多了一个通道控制器旋钮 ，当旋钮拨到某个通道位置，才能对该通道的Y轴进行调整。,通道A，B C，D输入信号 连线的颜色就 是示波器波形 的颜色，注意 只能在仿真之前 设置,练习37,使用函数发生器产生如下波形，利用4通道示波器观察波形 要求： 用函数发生器XFG1产生正弦波形，输出2路相位

10、现反的信号，用示波器的通道 A、D显示（1KHZ，5Vpp） 用函数发生器XFG2产生三角波，用示波器的通道B显示，5KHZ，5VPP 用函数发生器XFG3产生方波，用示波器的通道C显示，10KHZ，5VPP 根据以上要求，绘制出电路图，并对仪器做设置，能产生如下波形。,3.2.6功率表（Wattmeter） (瓦特表),功率表用来测量电路的交流或者直流功率，有四个引线端口：电压正极和负极、电流正极和负极。,功率,功率因数,测试结果：有效功率 功率因数：电压与电流相位差的余弦,练习38,用功率表测量如下电路中电源提供的功率以及功率因数,提示： 电压输入端并联于被测电路 电流输入端串联于被测电路

11、,3.2.7 IV分析仪（IV Analyzer）,IV分析仪专门用来分析晶体管的伏安特性曲线，如二极管、NPN管、PNP管、NMOS管、PMOS管等器件。IV分析仪相当于实验室的晶体管图示仪，需要将晶体管与连接电路完全断开，才能进行IV分析仪的连接和测试。,用IV分析仪测晶体管的伏安特性曲线时，不能连接在电路中，要 单个测量。,测量步骤： 1 选中虚拟仪器工具栏上的IV分析仪,2 放置IV分析仪到电路中,3 在IV分析仪的控制面板的元件中选择相应的 晶体管类型,练习39 利用IV分析仪测试二极管1N4148、三极管BC107BP 场效应管2N7000的伏安特性,3.2.8频率计（Freque

12、ncy couter）,作用：测量数字信号的频率、周期、相位，脉冲信号的上升沿和下降沿。 使用过程中应注意根据输入信号的幅值调整频率计的Sensitivity（灵敏度）和Trigger Level（触发电平）。,Measurement： Freg测量频率 Period测量周期 Pluse测量正极性和负极性脉冲持续时间 Rise/Fall测量脉冲的上升时间和下降时间,Coupling： 选择耦合方式,RMS： 选择灵敏度,Trigger Level： 选择触发电平值，输入信号必须 大于触发器电平才能进行测量,练习3-10 利用函数发生器产生频率为1KHZ的方波信号 采用频率计测量方波的频率，正负

13、脉冲宽度 信号周期，脉冲信号的上升时间和下降时间 要求： 1 根据上述要求，绘制测量电路 2 改变函数发生的参数设置，观察频率计的结果是否也做相应变化,3.2.9 波特图仪（Bode Plotter）,利用波特图仪可以方便地测量和显示电路的频率响应，波特图仪适合于分析滤波电路或电路的频率特性，特别易于观察截止频率。,3-11 利用波特图仪测量RC一阶低通滤波器的频率特性,输入端与被测电路输入端并联，输出端与被测电路输出端并联,使用时必须在电路输入端示意性地接一个信号源，但不需要进行任何参数的设定,3.2.10 失真度仪（Distortion Analyzer）,失真度仪专门用来测量电路的信号失

14、真度，失真度仪提供的频率范围为20Hz100kHz。,面板最上方给出测量失真度的提示信息和测量值。 Fundamental Freq（分析频率）处可以设置分析频率值；选择分析THD（总谐波失真）或SINAD（信噪比），单击Set按钮，打开设置窗口如图所示，由于THD的定义有所不同，可以设置THD的分析选项。,总谐波失真：英文全称Total Harmonic Distortion，简称THD。 总谐波失真是指用信号源输入时，由于非线性元件所引起的 输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波 成分，谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，用新增加 总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比

15、来表示。 一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，不少产品 均以该频率的失真作为它的指标,信噪比,即SNR（Signal to Noise Ratio）又称为讯噪比， 即放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比， 常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂 音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声 越小，声音回放的音质量越高，否则相反。信噪比一般 不应该低于 70dB，高保真音箱的信噪比应达到110dB以上。,3.3 数字逻辑测试类仪器,字信号发生器（Word Generator）,逻辑分析仪（Logic Analyzer）,逻辑转换器（Logic Converte

16、r）,3.3.1 逻辑分析仪（Logic Analyzer）,作用：数字信号的高速采集和时序分析，可同步记录和显示16路的数字信号。 逻辑分析仪的连接端口有：16路信号输入端、外接时钟端C、时钟控制端Q以及触发控制输入端T。,面板分上下两个部分，上半部分是显示窗口，下半部分是逻辑分析仪的控制窗口，控制信号有：Stop（停止）、Reset（复位）、Reverse（反相显示）、Clock（时钟）设置和Trigger（触发）设置。,Clock setup（时钟设置）对话框,Clock Source（时钟源）选择外触发或内触发； Clock rate（时钟频率）：1Hz100MHz范围内选择； Sam

17、pling Setting（取样点设置）：Pre-trigger samples （触发前取样点）、Post- trigger samples（触发后取样点） 和Threshold voltage（开启电压）设置。,点击Trigger下的 Set（设置）按钮时，出现Trigger Setting（触发设置）对话框,Trigger Clock Edge（触发边沿）：Positive（上升沿）、Negative（下降沿）、Both（双向触发）。 Trigger patterns（触发模式）：由A、B、C定义触发模式，在Trigger Combination（触发组合）下有21种触发组合可以选择。,

18、练习313,利用逻辑分析仪观察74LS90的输出信号之间的 时序关系，确定哪位为4位二进制中的最高位， 哪位为最低位？,提示： 逻辑分析仪的时钟 源设为外部,3.3.2 逻辑转换器（Logic Converter）,作用：一种虚拟仪器，逻辑转换器。实际中没有这种仪器，逻辑转换器可以在逻辑电路、真值表和逻辑表达式之间进行转换。有8路信号输入端，1路信号输出端。,6种转换功能依次是：逻辑电路转换为真值表、真值表转换为逻辑表达式、真值表转换为最简逻辑表达式、逻辑表达式转换为真值表、逻辑表达式转换为逻辑电路、逻辑表达式转换为与非门电路。,逻辑转换器的使用,输入端,逻辑输出端,把逻辑转换器接入逻辑电路,

19、逻辑电路转换为真值表,单击,单击,真值表转换为逻辑表达式,真值表转换为简化的逻辑表达式,单击,非号用“，”代替,单击,逻辑表达式转换为2输入与门的逻辑电路,逻辑表达式转换为2输入与非门的逻辑电路,单击,单击,在面板下方填入逻辑表达式,练习314,1利用逻辑转换器分析如图所示的组合逻辑电路的真值表 和简化的逻辑表达式。 要求：1）绘制测试电路 2）得出真值表 3）得出表达式,3 个 输 入 信 号,2 利用逻辑转换器化简以下逻辑函数，并画出逻辑电路图,1）,2）,要求：逻辑电路要求分别画出2输入与门、2输入与非门组成的逻辑电路,提示：输入表达式后，先转换为真值表，再转换为简化的逻辑表达式，再转换

20、 为电路图,3.3.3 字信号发生器（Word Generator）,作用：数字信号激励源，能产生32路同步逻辑信号 左侧是控制面板，右侧是字信号发生器的字符窗口。控制面板分为Controls（控制方式）、Display（显示方式）、Trigger（触发）、Frequency（频率）等几个部分。,为数据准备好信号输出端,练习315,用字函数发生器产生0F循环输出的4路时序信号，采用逻辑分析仪 显示结果，采用逻辑电平指示器指示数据是否准备好,步骤: 1绘制电路 2设置字函数发生器： 控制方式：循环 触发方式：内部，上升沿触发 输出频率：200HZ 字缓冲区初始值为：00000000 终止值为：0

21、000000F 显示方式：十六进制 3 设置逻辑分析仪时钟为：200HZ 4观察仿真结果： 逻辑分析仪中输出信号中，哪个路输出为4位二进制中 的最高位，哪位为最低位。 5若要函数发生器产生07信号，利用逻辑分析仪来观察结果，如何修改电路？ 绘制出测试电路，并对仪器做相应设置。,组合逻辑电路原理及应用仿真,（1） 138译码器原理,译码器：把一组二进制代码翻译成特定的信号。 如：通过译码器把计算机地址总线翻译成各个端口地址， 计算机才能知道读/写哪个地址端口。,3.3.4 Multisim9 在数字电路中的应用,验证138的真值表,练习316,（2） 利用138构成一位全加器,练习317,字信号

22、发生器,练习318利用逻辑分析仪测试电路,逻辑 转换仪,时序逻辑电路仿真,1计数器设计与仿真,计数器的设计,常用的集成十六进制同步计数器：74161异步清零， 同步置数 其中ABCD为预先设置的初始值， 当LOAD（预置端）为低时，等待时钟下降沿来临时,初始值有效。 CLR为清零端，低电平有效。 RCO为进位端，当输出全为1时，RCO为高电平。,同步清零：清零条件满足时，需要等待时钟的触发沿来临，才能完成清零 异步清零：清零条件满足时，不需要触发沿，直接完成清零,利用集成芯片设计N进制计数器时（反馈清零法）， 异步清零以N作为清零输出代码 同步清零以N1作为清零输出代码 反馈置数法类似,思考:

23、设计一个7进制计数器,若使用芯片为异步清零方式, 则在输出为多少时清零? 若使用同步清零方式芯片呢?,2 几种常用的集成电路计数器,3. 用集成计数器构成任意进制计数器,N M 的情况 ：,已有的集成计数器是M 进制，需组成的是N 进制计数器,具体实现的方法：,反馈清零法,反馈置数法,利用清零输入端，使电路计数到某状态时产生清零操作，清除（MN）个状态实现N进制计数器。,利用计数器的置数功能，通过给计数器重复置入某个数码的方法减少(MN)个独立状态，实现N进制计数器的。,信号发生器 方波，频率100HZ，幅度5V,练习319 九进制计数器,（采用反馈清零法）,思考：若改用反馈置数法，电路如何修

24、改？,当 N M时，需用两片以上集成计数器才能连接成任意进制计数器，这时要用级联法。,N M 的情况,（1）几片集成计数器级联后再反馈清零,若几片集成计数器级联后再进行反馈清零的话，可以更灵活地组成任意进制的计数器。,下图中使用了两片74LS90，每片都接成十进制计数器，级联后再采取反馈清零措施就构成了六十二进制的计数器。,A片为0110，B片为0010时，A、B两片同时清零！,（3）每片集成计数器单独反馈清零后再进行级联,当两片集成计数器进行级联时，用反馈清零法将一片集成计数器接成N1进制的计数器，将另一片接成N2进制的计数器，然后两片集成计数器再进行级联，可得到N1N2进制的计数器。,下图

25、中使用了两片集成计数器74LS90构成 68=48 进制计数器。,反馈清零与级联配合构成四十八进制计数器,八进制计数器,六进制计数器,二 - 五 - 十进制计数器 74LS90,A、结构和工作原理简介,时钟输入端,直接清零端,直接置9端,二进制计数器,五进制计数器,十进制计数器,在计数或清零时，均要求S9(1)和S9(2)中至少一个必须为0。,只有在R0(1)和R0(2)同时为1时，才能清零。,2 分频器设计与仿真,利用74161实现二分频 该电路实际为一个4位二进制计数器，每输入一个脉冲计数 一次，输入时钟频率和输出ABCD频率依次相差2倍,练习320 分频电路,1 竞争冒险的概念及其产生的

26、原因,概念 竞争：同一个门的一组输入信号，由于通过不同数目的门，经过不同的路径，门的延迟时间不同，它们到达门输入端的时间会有先有后,组合逻辑电路中的竞争冒险,冒险：由于在门的输入端有竞争，当输入信号发生变化时， 可能导致在输出端产生尖峰脉冲（干扰脉冲）,例如：,产生竞争冒险的原因 每个门电路的传输延迟时间不同，致使信号A、B状态变化的时间有先有后。,竞争不一定产生冒险,G1,G2,练习321,A,B,竟 争 冒 险 的 验 证,观察何时产生冒险现象？,3.4 射频测量类仪器,频谱分析仪（Spectrum Analyzer）,网络分析仪（Network Analyzer）,3.4.1频谱分析仪（

27、Spectrum Analyzer）,测试高频电路频域的测量仪器，主要用来分析电路的幅频特性， 类似于时域的示波器，能测量信号功率和所含的频率特性， 其频域分析范围的上限为4GHz。,3.4.2 网络分析仪（Network Analyzer）,网络分析仪主要用来测量双端口网络的特性，如衰减器、放大器、混频器、功率分配器等。,3.5 仿真仪器,仿真仪器主要根据世界著名仪器公司Agilent和Textronix生产的仪器， 在计算机中仿制其外形、操作和功能等特性而成的虚拟仪器。,Agilent信号发生器（33120A）,Agilent数字万用表（34401A）,Agilent数字示波器（54622

28、D）,泰克数字示波器（TDS 2024）,这4种仪器与真实仪器的面板，按钮、旋钮操作方式完全相同， 使用起来更加真实。,3.5.1Agilent信号发生器,Agilent信号发生器的型号是33120A，这是一个高性能15 MHz的综合信号发生器。Agilent信号发生器有两个连接端，上方是同步信号输入端，下方是普通信号输出端。单击最左侧的电源按钮，即可按照要求输出信号。,1操作使用,与Multisim9虚拟仪器不同之处：操作与真实操作类似，使用时必须打开 电源开关才能使用。,仪器面板：显示区、调节旋钮、电源开关、功能键区和输出端,接线端：上方为同步信号输入 下方为输出端,2 使用举例（练习32

29、2）,（1）使用示波器观察安捷伦函数发生器输出波形，输出频率为20KHZ， 3Vpp的三角波。,步骤： 1）如图连接好电路，双击函数发生器图标，在仪器面板上按Power键,2）系统默认输出信号为频率1KHZ，幅度100mVpp,3）修改幅度值，单击 ，输入1.5(面板输入，键盘输入）,按下,4）修改频率值，单击 ， 输入20，按,5）修改波形的形状，单击,若要改变单位（以频率为例），先点击 ，然后点击,先点击 ，然后点击,先点击 ，然后点击,换为MHZ,换为KHZ,换为HZ,若要改变信号偏置，点击,再利用旋钮调整大小,幅值由Vpp（峰峰值）转换为Vrms（有效值）方法类似。,3.5.2 Agi

30、lent数字万用表 Agilent万用表的型号是34401A，其图标和面板如图所示，这是一个高性能6位半的数字万用表。Agilent万用表有五个连接端，应注意面板的提示信息连接。单击最左侧的电源按钮，即可使用万用表，实现对各种电类参数的测量。,全位显示:显示09 半位显示:只能显示01 6位半：最高位只能显示0和1，低六位最大能显示999999,1操作使用,5个接线端子： 200V Max端子一对（2，4） 1000V Max端子一对（1，3） 电流接线端一个（5,3）,1 2 3 4 5,2使用举例（练习323）,利用安捷伦万用表测试 电位器的阻值,1 电路连接如图,2 双击万用表图标，打开仪器面板，单击“电源开关”,3单击,4 开始电路仿真,利用键盘控制电位器的阻值： A：阻值变大 ShiftA：阻值变小 观察改变电位器阻值时，万