第4章-MATLAB测量仪器与电子线路仿真

第4章MATLAB测量仪器与电子线路仿真4.1

电压测量4.2

时域测量仪器4.3

微积分4.4

触发器

4.5

分频器4.6

信号合并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4-1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0～100V，采用了一个取绝对值的模块Abs（取自Simulink＼MathOperations），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。图4-1指针式电压表仿真框图表4-1SineWave(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4-2ActiveXControl属性对话框的标签内容表4-3LowerLeft（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NumericDisplay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表4-4Scope（示波器）的主要参数表4-5Display(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4-6GenericNumericLED（通用数字发光二极管）的主要参数4.2时域测量仪 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（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4-51GHz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4-61GHz正弦波的示波器显示图4-7示波器显示对话框1表4-7Scope（示波器）的主要参数表4-8SimulationParameters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1×10-9s，在MATLAB中表示为T=1e-9，时间范围设为5e-9（即5×10-9s），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4-7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。

4.2.2X-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4-11X-Y记录仪应用框图图4-12X-Y记录仪显示的李沙育图形表4-13SignalGenerator（信号发生器）的主要参数表4-14X-Y记录仪(XYGraph)的主要参数表4-15仿真参数设置4.3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Simulink＼Continuous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4-35Integrator（积分器）的主要参数

积分模块有两种工作模式：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ExternalReset（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Initialcondition设定。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Limitoutput（限制输出）时，可以在对话框中设定UppersaturationLimit（限幅上限）和LowersaturationLimit（限幅下限）。当激活ShowsaturationPort（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Showstateport（显示状态端口）时，可以从新增的状态端口输出状态信息。

Absolutetolerance（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4-36SignalGenerator（信号发生器）的主要参数4.4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4-37SignalGenerator（信号发生器）的主要参数表4-38SineWave（正弦信号发生器）的主要参数表4-39Scope（示波器）的主要参数表4-40Trigger（触发电路）的主要参数4.5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PulseGenerator(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4-41Counter（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4-42PulseGenerator（脉冲信号发生器）的主要参数表4-43Scope（示波器）的主要参数作业：利用Simulink的触发子系统（TriggerSubsystem）对正弦信号分别进行上升沿触发（Rising）、下降沿触发（Falling）