基于multisim的模拟信号数字化系统的毕业设计

基于multisim的模拟信号数字化系统的毕业设计内容摘要：

交流分析、瞬 态分析、傅里叶分析、噪声分析、噪声系数分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点 零点分析、传输函数分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析、布线宽度、批处理分析、用户自定义分析、噪声指数分析等。 这些分析方法基本能满足一般电子电路的分析设计要求。 （ 5）超强的仿真能力 可以分别对模拟或数字电路进行仿真，也可以将数字元件和模拟元件连接在一起进行仿真分析。 分析结果以数值或波形直观地显示出来，仿真失败时会显示出错信息，提示可能出错的原因，并且仿真结果可随时存储和打印。 Multisim支持 远程控制能力，不仅可以将 Multisim软件的界面共享给其他人，使得其他人在自己的计算机上看到控制者的操作情况，而且可以将控制权交给其他人，让其操作该软件，这样可以实现交互式教学，是进行电子电路教学的理想工具。 Multisim 2020软件的操作界面： Multisim 2020 可以在 Windows98/2020/xp 环境下工作。 启动 Multisim 2020 后，它的界面显示出功能强大的 Windows 统一风格的菜单栏。 Multisim 2020 模仿了一个实际的电子实验台。 主窗口中最大的区域是电路工作区，在 这里可以进行电路的连接和测试。 在电路工作区的下方是阐述区。 可用来对电路进行注释和说明。 工作区的上面是菜单栏、工具栏，左边是元器件库栏，右边是仪表工具栏。 从菜单栏可以选择电路连接、实验所需的各种命令。 工具栏包含了常用的操作命令按钮。 元器件库栏包含了电路实验所需的各种元器件。 仪表工具栏包括各种测试仪器。 通过鼠标器操作即可方便地使用各种命令和实验设备。 按下 “启动 /停止 ”开关或 “暂停 /恢复 ”按钮可以方便地控制实验的进程，在沈阳理工大学学士学位论文 8 多媒体教学中，只要按此按钮，就可以对相关的电路进行仿真。 Multisim 2020软件的电路 图输入方式及元器件、仪器仪表的使用方法： Multisim 2020软件采用图形化的电路图输入方式，界面友好，操作便捷。 各类元器件的模型都置于各自的元器件盒内，就如实验室的备件箱。 只要打开相应的元件箱，拿出该元件拖到工作台上，然后用连接线正确连接即可；删除元器件时，只需将元器件放回盒中即可。 在元器件上双击鼠标，便可以改变元器件的参数。 Multisim 2020软件元器件也可以改变方向，操作时只需按工具栏的旋转按钮图标。 就能进行相应的调整。 对于仪器仪表，只要将其拖到工作台上，就像在实验室那样连接线路，构成柔性 测试系统。 若要调整元器件的参数，只要双击鼠标来改变数值即可。 Multisim 2020软件还具有自动布线功能，在电路图上布线非常快捷。 只要按着鼠标从连线起点拉到终点后放开。 就会进行自动布线。 Multisim 仿真软件是一种专门用于电子电路设计与仿真的 EDA 工具软件，它改变了以往以变量估算和电路实验为基础的电路设计方法，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程，从而为电子系统的设计、电子产品的开发和电子系统工程提供了一种全新的手段和便捷的途径。 它界面形象，采用图形方式创建电路。 对元器件既提供了理想模型。 又 可以进行不同的故障仿真，所用的测试仪器外形及操作方法与实际仪器很相似，因此非常适合电工电子类课程的教学和实验。 作为电工电子类相关课程的辅助教学和实训手段，它不仅可以弥补实验仪器、元器件缺乏带来的不足，降低原材料消耗和减少仪器损坏，还可以帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述的内容。 加深对概念、原理的理解。 Multisim软件进行仿真教学的学科多，几乎包含电类专业的所有学科。 例如：电工基础电路、低频电路、高频电路、脉冲与数字电路、电视机电路、音响电路、电子测量电路、射频电路以及机电电路等。 特别是当它对模数电路的混 合仿真功能毫不逊色，几乎能够 100％ 地仿真出真实电路的效果，正因为如此 ， Multisim深受广大电路设计者的喜爱，特别是在教育领域得到了更广泛的应用。 应用 Multisim软件进行仿真教学的操作简单、直观、方便，易懂，对某一具体电路仿真步骤如下： 沈阳理工大学学士学位论文 9 结合具体的教学内容，在理论教学过程中穿插进行。 参看实验电路的原理图，运用Multisim进行电子电路仿真，同时又可运用仪器进行在线测量。 根据实验要求，更改元件参数，观测实验现象的变化。 最后对测量实验结果进行分析，与理论计算结果进行比较。 如果结论正确，填写实验报告，实验结束。 如果结论有误，分析原因，更改相关元件参数，观察所得的变化。 再与理论计算进行对照分析。 直至与理论结果相符。 沈阳理工大学学士学位论文 10 3 均匀量化和编码系统的设计与实现 均匀量化和编码系统 原理 模拟信号的数字传输 数字化 3步骤 如图 ： 抽样 、 量化 和 编码 图 数字化 3 步骤 模拟信 号的抽样 低通模拟信号的抽样定理 ： 抽样定理 ：设一个连续模拟信号 m(t)中的最高频率 fH，则以间隔时间为 T  1/2fH的周期性冲激脉冲对它抽样时， m(t)将被这些抽样值所完全确定。 设有一个最高频率小于 Hf 的信号 m(t)。 将这个信号和周期性单位冲激脉冲 T(t)相乘，其重复周期为 T，重复频率为 fs = 1/T。 乘积就是抽样信号，它是一系列间隔为 T 秒的强度不等的冲激脉冲。 这些冲激脉冲的强度等于相应时刻上信号的抽样值。 现用ms(t) = m(kT)表示此 抽样信号序列。 故有 (): () 用波形图示出如下 图 ： 抽样信号 量化信号 t 011 011 011 100 100 100 100 编码信号 )()()( ttmtm Ts 沈阳理工大学学士学位论文 11 图 抽样过程 令 M(f)、 (f)和 Ms(f)分别表示 m(t)、 T(t)和 ms(t)的频谱。 按照频率卷积定理，m(t)T(t)的傅里叶变换等于 M(f)和 (f)的卷积。 因此， ms(t)的傅里叶变换 Ms(f)可以写为 （ ） ： （ ） 而 (f)是周期性单位冲激脉冲的频谱，它可以求出等于 （ ） ： （ ） 式中 将上式代入 Ms(f)的卷积 式，得到 （ ）： （ ） 上式中的卷积，可以利用卷积公式 （ ） ： Tfs /1(a) m(t) (e) ms(t) (c) T(t) 0 3T 2T T T 2T 3T )()()( ffMfM s   n snffTf )(1)(   n ss nfffMTfM )()(1)( 沈阳理工大学学士学位论文 12 （ ） 进行计算，得到 （ ）： （ ） 上式表明，由于 M(f nfs)是信号频谱 M(f)在频率轴上平移了 nfs的结果，所以抽样信号的频谱 Ms(f)是无数间隔频率为 fs的原信号频谱 M(f)相叠加而成。 用频谱图示出如下 图 ： 图 频谱图 因为已经假设信号 m(t)的最高频率小于 fH，所以若频率间隔 fs  2fH，则 Ms(f)中包含的每个原信号频谱 M(f)之间互不重叠，如上图所示。 这样就能够从 Ms(f)中用一个低通滤波器分离出信号 m(t)的频谱 M(f)，也就是能从抽样信号中恢复原信号。 这里，恢复原信号的条件是 （ ） ： （ ） 即 抽样频率 fs应不小于 fH的两倍。 这一最低抽样速率 2fH称为 奈奎斯特速率。 与此相应的最小抽样时间间隔称为 奈奎斯特间隔。   )()()()()( tfdtfttf     )(1)()(1)( sn ss nffMTnfffMTfM fs 1/T 2/T 0 1/T 2/T  (f)f fH fH 0 fs |Ms(f)| fH fH f |M(f)| Hs ff 2沈阳理工大学学士学位论文 13 恢复原信号的方法：从上图可以看出，当 fs  2fH时，用一个截止频率为 fH的理想低通滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。 从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激此理想低通滤波器 时，滤波器的输出就是一系列冲激响应之和，如下图。 这些冲激响应之和就构成了原信号。 图 原信号的恢复 抽样信号的量化 设模拟信号的抽样值为 m(kT)，其中 T 是抽样周期， k 是整数。 此抽样值仍然是一个取值连续的变量。 若仅用 N 个不同的二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则 N个不同的二进制码元只能代表 M = 2N个不同的抽样值。 因此，必须将抽样值的范围划分成 M 个区间，每个区间用一个电平表示。 这样，共有 M 个离散电平，它们称为 量化电平。 用这 M 个量化电平表示连续抽样值的方法称 为 量化。 量化过程图 如图 ： 图 量化过程图 t 沈阳理工大学学士学位论文 14 M 个抽样值区间是等间隔划分的，称为均匀量化。 M 个抽样值区间也可以不均匀划分，称为非均匀量化。 量化一般公式 ： 设： m(kT)表示模拟信号抽样值， mq(kT)表示量化后的量化信号值， q1, q2,…, qi, …, q6是量化后信号的 6个可能输出电平， m1, m2, …, mi, …, m5为量化区间的端点。 则可以写出一般公式 （ ） ： （ ） 按照上式作变换，就把模拟抽样信号 m(kT)变换成了量化后的 离散抽样信号，即量化信号。 量化器在原理上，量化过程可以认为是在一个量化器中完成的。 量化器的输入信号为 m(kT)，输出信号为 mq(kT) ，如下图 ： 图 量化器原理 在实际中，量化过程常是和后续的编码过程结合在一起完成的，不一定存在独立的量化器。 均匀量化的表示式 ： 设模拟抽样信号的取值范围在 a和 b之间，量化电平数为 M，则在均匀量化时的量化间隔为 （ ）： （ ） 若量化输出电平 qi 取为量化间隔的中点，则 （ ）： （ ） 显然，量 化输出电平和量化前信号的抽样值一般不同，即量化输出电平有误差。 这个误差常称为量化噪声，并用信号功率与量化噪声之比衡量其对信号影响的大小。 iiiq mkTmmqkTm   )(,)( 1当量化器 m(kT) mq(kT) Mabv Mimmq iii ,...,2,1,2 1  沈阳理工大学学士学位论文 15 均匀量化的平均信号量噪比 ： 在均匀量化时，量化噪声功率的平均值 Nq 可以用下式表示 （ ）： （ ） 式中 ， mk 为模拟信号的抽样值，即 m(kT)； mq 为量化信号值，即 mq(kT)； f(mk)为信号抽样值 mk 的概率密度； E表示求统计平均值； M 为量化电平数； 信号 mk 的平均功率可以表示为 （ ）： （ ） 若已知 信号 mk 的功率密度函数，则由上两式可以计算出平均信号量噪比。 电路设计 在自动控制与信息处理技术中往往需要把模拟量转换为数字量，这个过程称为模 / 数转换，完成模 / 数转换的电路称为 A / D转换器，简称 ADC。 实现 A／ D转换，一般需要通过 抽样 、量化、编码 三 个步骤。 抽样 保持电路在保持阶段输出的离散模拟量是一个电平信号。 要把这个电平数值转换为二进制的数字量，首先确定最小量化单位，以最小量化单位的整数倍确定量化区段，用二进制数表示每个量化区段的上限值和下限值，并且根据满量程数值的大小确定二进制 数的位数。 根据 抽样 保持电路输出的电平信号落在的量化区段，取该量化区段的上限值或者下限值的二进制数，来表示采样保持电路输出的电平信号的近似值，这个过程叫量化。 所取的最小数字单位称为量化单位，用 Δ表示。 把量化的结果用代码（二进制或者其他进制）表示出来，这一过程称之为编码。 在 Multisim 2020 仿真软件中只有一种 A/D转换电路，是将输入的模拟信号转换成8位的数字信号输出，其中： VIN——模拟电压输入端子。 VREF+——参考电压 “+”端子，要接直流参考源的正端，其大小视用户对量化精度的要求而定。 由于输出 是 8位，若 VREF为 5V，则输入信号对应的量化离散电平为（ ）： （ ）      ba Mi mm。