虚拟仪器的使用.ppt

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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,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,3.1.2 虚拟

2、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：LabVIEW的麦克风，扬声器、信号分析仪

3、和信号发生器,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：Simulate（仿真）/Run（运行）仿真开关 按F5键,练习33,A 对练习3

4、2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

5、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 Analyzer）,频率计（Frequency couter）,功率表（Wattmeter）,IV分析仪

6、（IV Analyzer）,波特图仪（Bode Plotter）,(存放在指示元器件库中),Voltmeter,Ammeter,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

7、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,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

8、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

9、形,参考教材：P271李萨如图,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，BC，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

10、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。,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,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

11、，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,频率计（Frequency 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）。,

12、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

13、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，

14、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

15、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 Converter）,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

16、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；Sampling 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T

17、rigger 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。,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

18、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,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

19、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 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

20、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：0000000F 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

21、,（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

22、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: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

23、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

24、，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

25、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

26、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）,频谱分析仪（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Ag

27、ilent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（54622D）,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。,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

28、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322）,（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

29、,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 Agilent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016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

30、一对（1，3）电流接线端一个（5,3）,12345,2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，万用表测得的结果有何变化,电流的测量,利用3（负），5（正）号接线端，串联与被测支路,点击,再点击,仿真显示结果,练习324,电压的测量,利用（1，3）或（2，4）与被测电路并联。,DCV：测直流电压ACV：测量交流电压,频率或周期的测量,点击,测量频率,点击,屏幕显示Shift,点击,可测量周期,练习325

31、,3.5.3 Agilent示波器 Agilent示波器的型号是54622D，图标和面板如图所示，这是一个2模拟通道、16个逻辑通道、100-MHz的宽带示波器。Agilent示波器下方的18个连接端是信号输入端，右侧是外接触发信号端、接地端。单击电源按钮，即可使用示波器，实现各种波形的测量。,图标,模拟输入,数字信号输入,触发端,数字地,标准信号输出端,示波器的校准,示波器使用之前需要校准,操作:1如图接线,校准信号输出端接模拟通道,2点击POWER,点击,点击,点击,仿真后,显示5V,周期为1ms的方波,在Multisim环境中，一般不用校准！,使用举例,用安捷伦示波器观察2路正弦波信号8

32、路数字时序信号,字函数发生器产生0255以4KHZ频率循环的8路数字时序信号,练习327,操作步骤：开始仿真1）单击Power按钮。若未显示，单击模拟通道按钮,2）转动,调整波形的显示,3）单击模拟通道按钮，关闭模拟通道，单击数字通道按钮,数学函数运算,可以对模拟通道上采集的信号进行信号的相减，相乘，积分，微分和快速傅立叶变换等数学运算,练习328,输入信号为1KHZ，5V方波，利用安捷伦示波器对信号进行FFT运算。,步骤：1）点击,2）点击屏幕下方,3）点击,显示功能软键盘，,选择相应的设置项，旋转,可以对运算结果的显示进行调整,练习329,从通道1输入3KHZ，5V正弦波，通道2输入1KHZ，5V方波信号实现信号“12”，“12”,3.5.4 泰克数字示波器,泰克TDS 2024示波器，4通道，200兆赫兹,使用举例,（1）简单测量信号,如图接好电路，单击CH1 MENU，单击AUTO SET，自动显示波形,（2）自动测量,测量CH2的频率，周期，峰峰值，上升时间及高电平持续时间,练习3-30:P180 图5-12,测量笔,在整个电路仿真过程中，可测量电路中某节点的电压或电流，频率,3.6,练习:利用测量笔测量下图中三极管b,e,c极的电压，电流，频率。,