MATLAB测量仪器与电子线路仿真.ppt

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1、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0100V，采用了一个取绝对值的模块Abs（取自SimulinkMathOperations），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

2、。,图4-1 指针式电压表仿真框图,表4-1 SineWave(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4-2 ActiveXControl属性对话框的标签内容,

3、表4-3 LowerLeft（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Numeric Display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,

4、表4-4 Scope（示波器）的主要参数,表4-5 Display(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4-6 GenericNumericLED（通用数字发光二极管）的主要参数

5、,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

6、（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4-5 1 GHz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4-6 1 GHz正弦波的示波器显示,图4-7 示波器显示对话框1,表4-7 Scope（示波器）的主要参数,表4-8 SimulationParamet

7、ers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110-9s，在MATLAB中表示为T=1e-9，时间范围设为5e-9（即510-9s），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-

8、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Proba

9、bilityofazero（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

10、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Ymax、Ymin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4-9 BernoulliRandomBinaryGenerat（伯努利二进制随机数产生器）的主要参数,表4-10 Constant（常数）的主要参数,表4-1

11、1 Scope（示波器）的主要参数,表3-12 SimulationParameters仿真参数的设置,4.2.2 X-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

12、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4-11 X-Y记录仪应用框图,图4-12 X-Y记录仪显示的李沙育图形,表4-13 SignalGenerator（信号发生器）的主要参数,表4-14 X-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

13、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4-22 SpectrumScope（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

14、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。,

15、(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Show axis properties（显示坐标轴特性）时，弹出图

16、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Sho

17、wlineproperties（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

18、，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Jk(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4-27 SignalGenerator（信号发生器）的主要参数,表4-28 FMModulationPassband（通带频率调制器）的主要参数,表4-29 Spectrum Scop

19、e(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

20、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4-30 Merge（信号合并器）的主要参数,表4-31 SineWave（正弦信号发生器）的主要参数,表4-32 RepeatingTable（重复序列信号发生器）的主要参数,表4-33 PulseGenerator（脉冲信号发生器）的主要参数,表4-34 Scope（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

21、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SimulinkContinuous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4-35 Integrator（积分器）的主要参数,积分模块有两种工作模式

22、：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External Reset（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Initial condition设

23、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Limit output（限制输出）时，可以在对话框中设定Upper saturation Limit（限幅上限）和Lower saturation Limit（限幅下限）。当激活Show saturation Port（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Show state port（显示状态端口）时，可以从新增的状态端口输出状态信息。Absolute tolerance（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4-36 SignalGenerator（信号发生器）的主要

24、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

25、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4-37 SignalGenerator（信号发生器）的主要参数,表4-38 SineWave（正弦信号发生器）的主要参数,表4-39 Scope（示波器）的主要参数,表4-40 Trigger（触发电路）的主要参数

26、,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（到达值）表示在计数到第几（本例是7）个脉冲时，开始输出到达脉冲。自然在以后的计数分频的过程中，都是在分

27、频周期的这一位置输出到达脉冲。Output(输出）设置决定了计数器有两路输出：第1路是cnt（计数），它的数值表示在本分频周期内记录到多少个脉冲;第2路是hit（到达），就是分频后的脉冲输出。图4-42所示是分频器仿真结果。示波器从上到下分别显示的是脉冲发生器的输出、计数输出、分频脉冲的输出。可以看出，分频比是11，即到达脉冲的数量是原始脉冲数的1/11。计数输出是从0到10（11个量值）变化，分频脉冲在第8（即7+1）个脉冲时输出。,图4-41 分频器仿真框图,图4-42 分频器仿真结果,图4-43所示是计数器参数设置对话框。表4-41所示是该对话框的主要参数。表4-42所示是Pulse G

28、enerator(脉冲信号发生器）的主要参数。Countdirection（计数方向）中Up（增加）表示加法计数，Down（减少）表示减法计数器。当Countsize（计数长度）设定为8bit、16bit、32bit时，分频比分别为28、216、232。,图4-43 计数器参数设置对话框,表4-41 Counter（计数器）的主要参数,用户可以设定任意数的分频比，确实十分方便。表4-43所示是示波器的主要参数。表4-42 PulseGenerator（脉冲信号发生器）的主要参数,表4-43 Scope（示波器）的主要参数,作业：利用Simulink的触发子系统（Trigger Subsystem）对正弦信号分别进行上升沿触发（Rising）、下降沿触（Falling）和上下沿触发，并将触发前后的信号显示在示波器中。要求：（1）示波器有4路通道，其中通道1显示作为触发信号的方波信号和触发前的原始正弦信号。（2）通道2、3、4分别显示上升沿、下降沿和上下沿触发时采集并保持的正弦信号。（3）正弦信号的频率为1Hz，幅度为1；方波信号的频率为0.5Hz，幅度为0.5。（4）示波器中显示三个周期的正弦信号采样波形。,