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文档简介
第4章电子线路仿真试验4.1信号合并
4.2微积分
4.3触发器
4.4分频器
4.5使能开关
4.6编程开关
4.7移位寄存器
4.8整流电路
4.9驻波演示
4.10超外差式接收机4.1信号合并
图4-1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,在合并(叠加)Merge模块中合成为一路信号,并在示波器中显示。在仿真系统中采用方波信号发生器的输出作为门控信号。图4-2所示是信号合并的仿真结果。图4-1信号合并的仿真系统框图图4-2信号合并的系统仿真结果表4-1~表4-5分别给出了信号合并仿真系统中各个模块的主要参数。
4.2微积分
对信号进行微积分运算时可以用M文件编程(在附录A.5中会介绍),本例是用一个小例子来说明应用Simulink的方法进行微积分运算。图4-3所示是信号微积分运算的仿真系统框图,图4-4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,则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,对应方波的上下沿的微分有大的输出,其余时间微分为零,在方波保持[-1
1]区间,积分先线性增长,后线性下降。图4-3信号微积分运算的仿真系统框图
图4-4信号微积分运算的仿真结果微分和积分的模块都是来自Simulink\Continuous库中,微分模块不需要设置,积分模块的参数设置如表4-6所示。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过零时的上升沿、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,可在对话框中设定Uppersaturationlimit(限幅上限)及Lowersaturation
limit(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4-7给出了信号发生器的主要参数。
4.3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其应用的方法。
图4-5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4-6所示是触发电路仿真结果。图4-7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4-5触发电路仿真演示框图图4-6触发电路仿真结果图4-7触发电路结构触发电路的Triggertype(触发类型)设定为Functioncall(函数调用)时和模块使能时,有三种设置:Held(有效)、Reset(复位)和Inherit(继承)。
此时,Sampletimetype(取样时间类型)可设为触发或周期。Sampletime(取样时间)均被激活。
现在以图4-6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4-8~表4-11分别给出了触发电路仿真系统中各个模块的主要参数。
4.4分频器
分频器应用广泛,下面用一示例说明其使用方法。图4-8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。在以后的计数分频的过程中,自然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count(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4-9所示是分频器仿真结果。示波器从上到下显示的分别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。计数输出从0到10(11个量值)变化,分频脉冲在第8(7+1)个脉冲时输出。图4-8分频器仿真框图图4-9分频器仿真结果图4-10所示是计数器参数设置对话框。表4-12所示是该对话框的主要参数。表4-13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。Countsize(计数长度)设定为8bit、16bit、32bit时,分频比分别为28
、216、232。图4-10计数器参数设置对话框用户可以设定任意数的分频比,确实十分方便。表4-14所示是示波器的主要参数。
4.5使能开关
图4-11所示是使能电路仿真演示框图。图中的正弦信号产生器产生幅度为1,频率为1rad/s,偏移和相位延迟均为0的正弦信号,分别馈入两个功能各异的使能功能块,如图
4-12所示。图中,脉冲发生器产生幅度为1,周期为5s,占空比为50%的方波,分别用方波的1输出区间作为上面功能块(简称块1)的使能脉冲信号。方波的0输出区间经过继电器的反相处理以后,作为下面功能块(简称块2)的使能脉冲
信号。图4-11使能电路仿真演示框图块1的功能如图4-12的右图所示,是在使能期间取输入信号的绝对值,其余时间输出为0。(注:MATLAB2008b中的使能模块复位功能似乎无效,故外接乘法器使之在使能脉冲为零时输出为零,在MATLAB6.5等版本中不需要此乘法器模块。)
块2的功能如图4-12的左图所示,是在使能期间取输入信号的在-0.75~0.75之间的值(即使输入信号通过一个限幅器,其上下门限设定为0.75和-0.75),其余时间则保持门控结束时的状态作为输出信号。图4-12使能电路内部功能展示图(左图对应图4-11中下面的功能块,右图对应图4-11中上面的功能块)在门控关闭区间输出值是为0还是保持结束时的状态,由图4-13所示Enable(使能)对话框中的使能时的状态决定。当激活Enablesubx(使能子系统)中的Enable(使能模块)时,弹出的对话框中的Stateswhenenabling(使能状态)选项被设置为reset(复位)或held(保持)。经过门控功能块以后的信号与未处理的信号,在Mux(合路器)中合并后,经Sum(加法器)后和Constant(常数源)中的[0
2]矢量相加,在垂直方向拉开了2(V)的间距,在同一示波器的显示窗内显示。图4-13使能图标Enable激活后的对话框图4-14使能电路仿真演示结果示波器显示的仿真结果如图4-14所示。中间的图形是用作使能门控信号的方波脉冲。它的1输出和0输出的两个时段分别对应块1和块2的非0输出区间。上面的图是块1的输出,在门控打开的区间,它是输入信号的绝对值。下面的图是块2的输出,在门控打开的区间,它是输入信号经过限幅以后的值。
表4-15~表4-17分别给出了使能电路仿真系统中各个模块的主要参数。
4.6编程开关
图4-15所示是编程开关仿真系统框图。图中使用了三个信号产生器,分别产生幅度为1,频率为1Hz、2Hz、3Hz的正弦波、锯齿波和方波。VariableSelector(可变选择器)根据Idx(指针端口)当时的数据,决定三个信号馈送到哪个端口。程序4-1是与图4-15相配套的程序,它产生一个与时钟t同步的三列的数据流y2,该数据变量名为D。
D是一个90行4列的数据块,存在Workspace(工作空间)中,由模块FromWorkspace(从工作空间)馈送到Idx(指针端口),以采样时间为1的速率,一行一行地读出(每行三列)数据。譬如某时刻是[231],表示将输入信号1馈入2端口,输入信号2馈入3端口,输入信号3馈入1端口。输出信号的端口以示波器输入从上到下排序,示波器实时显示输出的信号。图4-16所示是编程开关的仿真结果,该图中的第4路波形显示的是三路输入信号合并在一起时的波形。图4-15编程开关仿真系统框图图4-16编程开关仿真结果程序4-1
%程序4-1编程开关
clearall
x1=[123231312];
x=x1′*ones(1,30);
y=x(:);
y1=reshape(y,3,90);
y2=y1′;
t1=0:89;t=t1′;
D=[ty2];%产生D并供FromWorkspace读入
sim(′switchi1′)
%启动仿真程序4-1是与图4-15所示的仿真系统配套的程序。系统中的VariableSelector(可变选择器)的参数SelectorMode(选择模式)置为Varible(可变)时,必须向可变选择器显示从Idx(指针端口)输入的控制可变选择器的指令。程序4-1编制的数据系列D就是随时间变化的指令。程序的最后一条语句用来启动图4-15所示的仿真系统。
图4-17所示是可变选择器参数设置对话框,当SelectorMode(选择模式)置为Varible(可变)时,可变选择器显示Idx(指针端口);若置为Fixed(固定)时指针端口消失,此时应在Elements(元素)栏设置数据。图4-17可变选择器参数设置对话框表4-18~表4-22分别给出了编程开关仿真系统中各模块的主要参数。4.7移位寄存器
图4-18所示是移位寄存器仿真系统框图。图中的正弦波产生器产生幅度为1,频率为2πrad/s的正弦波,馈入MultiSelector(多点选择器),再由多点选择器分为三路相同的信号。三路信号一路是直通,另一路延迟7个节拍(7个采样时间),第三路延迟23个节拍。输出的路数、延迟时间皆可任意设定。
VariableSelector(可变选择器)可以任意交换输出三路信号的秩序,在连接示波器的上面三路信号就是通过交换排序后的波形,如图4-19所示。以它的第四路信号波形的极大值为参考,从左向右数1、2、3个波形,它们代表的三路波形就是未经过交换秩序的输出信号。图4-20和表4-23分别给出了多点选择器的参数设置对话框和参数设置。其他模块的参数设置见表4-24~表4-26。图4-18移位寄存器仿真系统框图图4-19移位寄存器仿真结果图4-20多点选择器对话框
4.8整流电路
图4-21所示是整流系统仿真框图,在框图中用幅度为1.1、频率为1000Hz的正弦信号作为信号输入,使用Saturation(限幅)模块,将限幅下限设定为0,构成半波整流电路。在框图中上面的频谱仪显示它的频谱,如图4-23中的右图所示。在整流电路中使用了Abs(取绝对值)模块,将信号的负半周也变成正值,构成全波整流电路。在框图中下面的频谱仪显示它的频谱,如图4-22中的左图所示。示波器将三路信号与常数矢量相加后,在垂直方向分开显示,如图4-23所示。图4-21整流系统仿真框图图4-22整流系统仿真结果(频谱图)图4-23整流系统仿真结果(时域波形)下面uh(t)与uf(t)分别表示半波整流和全波整流之后的频率谱,由公式(4-1)、(4-2)可见半波整流后有直流分量、一次波(基波)、二次波、四次波、六次波等。全波整流与半波整流相比较,除基波没有外其余都有,但幅度不一样,这可以从图4-22中看出。(4-1)(4-2)表4-27~表4-31分别给出了整流仿真系统中各个模块的主要参数。
4.9驻波演示
在传输线的理论课中,讨论了入射波与反射波的叠加形成驻波的原理。程序4-2通过动画的方式表现了入射波、反射波和驻波的工作过程。
我们用ω表示传播电磁波的角频率(程序中是w),用v
表示在传输线上的波速,x表示距离信号源的距离,t
表示时间,这样就可以用下面的a
及
a1
表达式描述入射波和反射波的传输特性:(4-3)入射波和反射波的叠加就是驻波。从这里可以看出,应用MATLAB的M文件编程的方法与平时思维的方法(即数学表达的方法)是十分接近的。这里表示的是开路终端的传输特性,如果改变a1的幅度及相位,则可以表现当终端负载为不同阻抗特性时的传输线的传输特性。
应用作图指令“stem”作出入射波、反射波和驻波关于变量x(距离信号源的距离)的火柴杆图。得到t时刻在传输线上的电压分布图,如图4-24所示。图中,从上到下分别是入射波、反射波和驻波的波形。程序中将时间t设为循环变量,随着循环变量t的变化,传输线上的分布将随着变化,指令“w1=moviein(100)”规定了将上述变化用动画来表示。图4-24入射波、反射波和驻波动画程序4-2
%终端开路反射波叠加
fort=1:100;
v=2;
w=pi/5;
x=0:.1:20;
a=cos(w*(t-x/v));
%入射波
a1=cos(w*(t+x/v));
%反射波
A=a+a1;
%驻波
w1=moviein(100);
subplot(311)
stem(x,a) %画入射波
subplot(312)
stem(x,a1,′k′) %画反射波
subplot(313)
stem(x,A,′r′) %画驻波
w1(:,t)=getframe;
end
4.10超外差式接收机
超外差式接收机的工作方式在通信系统中得到了非常广泛的应用。它最主要的工作原理是:频率搬移,选频放大。发射机发出的信号经过各种传输环境后信号十分微弱,将它放大到正常接收的程度,需要100dB量级的增益。应用频率搬移即变频的方法,可以将增益分配到工作在不同频段的若干个放大器上,在获得很高的总增益的同时又保证了系统的稳定。变频的基本原理可以用下面的公式来描述:(4-4)两个不同频率的余弦信号相乘后,得到的是两个频率的和以及两个频率的差的余弦信号,其中f1是本地振荡的频率,f2是射频信号的频率。图4-25所示是超外差接收机仿真系统框图。本例中本地振荡f1=66kHz,射频信号f2=50kHz,基带调制信号是1kHz单音频。下面分别介绍以下部分的功能。(为了简化问题,有的部分未安排。)
发射机部分:SignalGenerator(信号发生
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