2022年课题一信号取样与恢复系统方案指导书

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1、个人资料整理仅限学习使用课题一信号取样与恢复系统设计一、本课题的目的本课题主要研究信号取样与恢复的软硬件实现方法以及相关滤波器的设计及应用。通过本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：1 了解模拟信号取样与恢复电路的原理及实现方法。2 深入理解信号频谱和信号滤波的概念，掌握模拟低通滤波器的设计与实现方法。3 通过对各种条件下的信号取样与恢复仿真及实测波形的深入分析，加深对时域取样定理的理解。4 掌握利用Multisim 软件进行模拟电路设计及仿真的方法。5 了解信号取样与恢复硬件电路系统的设计、制作、调试过程及步骤。6 培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。二、课题任务本课题采用软件仿真

2、与硬件电路设计制作相结合的方式，对信号取样与恢复的原理、实现方法进行深入研究分析，并完成信号取样与恢复电路的制作与调试。主要任务包括以下几个方面：1. 信号取样与恢复实验电路原理图设计与功能仿真。2. 信号恢复理想低通滤波器的参数调节及其频率响应的理论与仿真分析。3. 借助Multisim软件，分别在有混叠和无混叠的条件下，对输入信号、取样脉冲序列、取样信号、恢复信号的时域波形、频谱进行仿真，并结合所学课程相关知识，对所得结果进行深入分析。4. 研究取样脉冲序列的频率、脉宽对取样及恢复信号的影响。5. 信号取样与恢复实验电路板的制作、调试和测试，并与仿真结果进行比较分析。三、主要设备和软件1信

3、号与系统实验箱一台，含同步信号源或信号发生器）2. PC 机一台3Multisim 软件一套， 10.0 以上版本4Matlab 软件一套， 7.0 以上版本5信号取样与恢复电路PCB 板及相关元器件，一套6. 示波器 1 台7. 焊接工具 1 套8. 万用表 1 块四、设计内容、步骤和要求1. 信号取样与恢复电路设计与验证1）根据信号与线性系统课程硬件实验需要，设计信号取样与恢复实验电路的原理图。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用2）采用 Multisim 软件对所设计电路进行功能验证。2

4、. 恢复滤波器的设计与仿真1）根据所设计的电路原理图，分析恢复滤波器的系统模型，包括时域、频域和复频域模型，模型中的部分参数电阻、电容等）作为待定参数，列出各种模型的数学表达式。2）通过调整恢复滤波器中的待定参数，分别设计出截止频率为1kHz、8kHz 的低通滤波器。要求所设计滤波器的通带纹波不大于10%，并且在滤波器阶次一定的条件下，使得过渡带幅频响应曲线的下降尽可能陡。可以通过调整多个不同元件参数来改变滤波器的截止频率等特性，个人独立完成参数分析调整，结果不得与他人雷同。3）对于所设计的不同截止频率恢复滤波器，根据其系统函数频率响应），利用Matlab 软件画出其理论频率响应曲线含幅频响应

5、与相频响应）。4）利用Multisim软件，仿真测试所设计的不同截止频率恢复滤波器电路的频率响应曲线含幅频响应与相频响应），并与上一步得出理论频率响应曲线进行比较分析。3. 信号取样与恢复电路的仿真测试分析1）借助Multisim软件，分别按照表4-1 给定的参数与输入信号，对所设计的取样与恢复电路进行仿真测试，记录不同参数和输入条件下的输入信号、取样脉冲序列、取样信号、恢复信号的时域波形和频谱。表 4-1 仿真测试参数设置恢复滤波器截止频率取样脉冲序列1kHz 8kHz 8kHz 矩形脉冲序列3 种输入信号： 1kHz 正弦波、 1kHz 三角波 或方波）、 7kHz 正弦波32kHz 矩形

6、脉冲序列2）结合有关信号频谱、信号取样与恢复、信号滤波等方面的理论知识，对上一步所得出的时域、频域结果进行深入比较分析，探讨其理论基础，重点讨论取样与恢复前后信号频谱中各频率分量幅度的变化。主要分析内容包括：同一输入信号分别讨论1kHz 正弦波、 7kHz 正弦波、 1kHz 三角波 /方波），在不同取样频率、不同恢复滤波器截止频率4 种组合）条件下，恢复信号的差异，从频域角度定性分析差异产生的原因；相同电路参数8kHz 取样脉冲、 1kHz 恢复滤波器）条件下，比较1kHz 正弦和7kHz 正弦输入信号所对应取样信号、恢复信号的异同包括幅度、相位等具体参数的数值），定性分析其原因，并进行定量

7、计算，与仿真实测的数据进行比较；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用 此步内容为选做）相同电路参数8kHz 取样脉冲、 8kHz 恢复滤波器）条件下，比较1kHz 正弦和 7kHz 正弦输入信号所对应取样信号、恢复信号的异同，定性分析其原因；相同电路参数8kHz 取样脉冲、 1kHz 恢复滤波器）条件下，比较1kHz 正弦和1kHz 三角波 /方波输入信号所对应取样信号、恢复信号的异同，定性分析其原因；相同电路参数32kHz 取样脉冲、 8kHz 恢复滤波器）条件下，比较1kHz 正弦和1kH

8、z 三角波 /方波输入信号所对应取样信号、恢复信号的异同包括幅度、相位等具体参数的数值），定性分析其原因，并进行定量计算，与仿真实测的数据进行比较。3）针对截止频率为1kHz 的恢复滤波器，分别采用50%、20%、10%三种占空比的取样脉冲序列取样频率自定，满足无混叠要求），对1kHz 正弦信号进行取样与恢复仿真测试，比较不同占空比的取样脉冲序列对取样结果和恢复结果的影响，并结合相关理论知识，定量分析其原因。4. 信号取样与恢复实验电路板的制作、调试、测试与分析1）利用已经设计加工完成的信号取样与恢复电路PCB，按本指导书附录提供的电路图元件参数和 PCB 图，完成元器件的安装焊接。2）将焊接

9、完成的电路板插到信号与系统实验箱上，恢复滤波器截止频率设置为1kHz，接入适当的输入信号与取样脉冲序列，通电并用示波器测试电路中关键点波形，验证电路工作是否正常。3）针对截止频率为1kHz 的恢复滤波器，按照表4-1，用示波器分别测试实验电路板在不同取样频率、不同类型输入信号输入信号幅度自定）条件下的取样信号、恢复信号波形和频谱，记录测试结果，包括波形的形状、幅度、频率、相位相对于输入信号）等量化信息，并与相应的仿真结果进行比较，分析误差产生的原因。4）在恢复滤波器截止频率为1kHz、输入信号为1kHz 正弦信号 幅度一定）的条件下，分别采用 50%、20%、10%三种占空比的取样脉冲序列取样

10、频率自定，满足无混叠要求），测试实验电路板的取样信号、恢复信号的波形，记录测试结果，包括波形的形状、幅度、频率、相位相对于输入信号）等量化信息，并与相应的仿真结果进行比较，分析误差产生的原因。5）按以下步骤，将恢复滤波器截止频率调整为8kHz：参照信号取样与恢复实验电路，在Multisim软件上进行仿真分析，确定8kHz 截止频率恢复滤波器的两个可调电阻值电容不可调）；关闭实验箱电源，将取样与恢复实验电路板的恢复滤波器截止频率设置开关拨到“1kHz”位置；按照仿真分析得到的电阻值，分别调节实验板上的两个可调电阻；将恢复滤波器截止频率设置开关拨到“可调”位置；重新打开实验箱电源，此时恢复滤波器的

11、截止频率被设置为8kHz。6）针对截止频率为8kHz 的恢复滤波器，按照表4-1，用示波器分别测试实验电路板在不同取样频率、不同类型输入信号 设计报告书包括内容：课程设计题目，设计目的和意义，设计方案，详细的设计、仿真、实验步骤，设计结果原理图等），测试和仿真结果 提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料电路图、程序、结果等）的电子版。六、参考文献1 信号与系统课程组. 信号与系统课程设计指导. 2007.10 2 吴大正 . 信号与线性系统分析. 西安电子科技大学出版社， 2018.64 高明甫，杨勇，孔令斌. 二阶压控电压源低通滤波器设计. 电子技术， 2018, 47(3：73

12、-755 王宝珠，刘翠响，刘艳萍. 信号与线性系统实验指导. 中国科学技术出版社，2004.5 6 信号与线性系统实验箱参考手册七、附录设计原理1. 信号取样与恢复原理1.1 信号取样信号取样是采用数字方法来处理模拟信号的第一个环节。图7-1 为数字信号处理系统的一般结构，图中待处理的模拟信号与取样脉冲序列相乘，得到取样信号，即(7-1 )(stfD/A( )f k()g kA/D)(tg( )s t)(tf量化编码数字滤波器图 7-1 数字信号处理系统的一般结构取样信号依然是一个时域信号。设的频谱为，的频谱为，则根据频域卷积定理，的频谱精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归

13、纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用(7-2 工程上通常采用周期矩形脉冲信号作为取样脉冲序列。设周期矩形脉冲的周期为、脉冲宽度为、幅度为，则(7-3 式中为取样角频率、为取样函数，即为取样函数包络下的冲激序列。此时(7-4 因此，取样信号的频谱是将原信号频谱在轴上以为间隔的非等幅周期延拓，如图7-2 所示 利用式 7-5），式 在无混叠的条件下，时延拓 称为主延拓）的波形形状和在轴上所处的位置与完全相同，因为，故主延拓的幅度为的倍。若，则为倍，如图 7-2 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - -

14、 -第 5 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用tf(t)otoTs1toTsoooFjSj2ssssFjsT1mmmss相乘卷积tfs( )s t图 7-2 周期矩形脉冲取样的时域与频域分析1.2 信号恢复能否由取样信号重构 恢复）原模拟信号，是衡量原信号在取样之后是否保留了其所有信息的一个基本判据。由图2 可知，如果信号的取样满足取样定理，即大于等于2 倍信号带宽 式中理想低通滤波器的频率响应和冲激响应分别为精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用(7-8 式中是宽度为的频域门函数。如果信

15、号取样不满足取样定理，则中相邻的两个或多个周期延拓的波形将会有混叠发生。通常无法从混叠后的频谱中找到与波形相同的某个频带，即无法由发生混叠的信号重构原信号。然而，这种带有混叠不满足取样定理）的信号取样在工程实际当中也有一定的实用价值，如数字示波器中的等效取样。对于频率非常高的信号，要对其进行实时取样并显示信号波形，在取样电路的实现上会有困难。采用等效取样则可以把一个高频信号展宽为容易显示的低频信号。考虑下面这个一个例子：设拟测试的信号为 7000Hz 的余弦信号 为了表述和仿真的方便，这里未选用很高频率的信号 ， 但 其 原 理 适 用 于 任 何 频 率 ） ， 即， 采 用 幅 度、 频

16、率8000Hz 即）、占空比为20% 则由式 分析式 其中第 1 项为的主延拓，后一项由时的延拓得到。采用截止频率的理想低通滤波器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用(7-12 对进行滤波恢复，可得(7-13 对应的时域信号为(7-14 恢复的结果依然是一个余弦信号，但其频率为1000Hz，幅度为，与原信号不同。由于理想低通滤波器是物理不可实现的，在实际工程应用中，受恢复滤波器特性的制约，取样角频率应略高于，才能更有效地抑制取样导致的信号混叠。同时，实际恢复滤波器的阻带幅频响应并不能做到完全等

17、于0，即使是在无混叠的条件下，也不可能完全滤除所有的高频分量，因此恢复得到的信号会有一定的畸变，当畸变程度低于一定阈值时，在工程上是可以接受的。此外，实际的模拟滤波器的频率响应是一定的，所以当采用不同占空比或幅度的取样脉冲序列时，所恢复信号的幅度会有所差异，其原因很容易根据前面的相关结果进行分析。2. 信号取样与恢复电路2.1 取样电路信号取样与恢复电路由取样电路和恢复重构）电路两部分构成。从原理上来看，取样电路的功能是将信号与取样脉冲序列相乘。当取样脉冲序列为矩形脉冲时，取样过程也可以用由取样脉冲序列控制的模拟开关电路来实现，但此时取样脉冲的幅度将不会直接影响取样与恢复的结果，其幅度直接归一

18、化为1。图 7-3 即为采用4 路模拟开关CD4066 只用了其中一路模拟开关）实现的取样电路原理图。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用32184U 2AN E55 32R 35. 1kR 45. 1kR 118 0R 218 0R 1051k1213U 1AC D4 06 6-12V+12V输入信号取样脉冲序列取样信号图 7-3 采用模拟开关实现的信号取样电路为了满足双极性输入信号开关控制的需要，模拟开关采用双极性电源供电图 7-3 中未画出），可对幅度在电源电压范围以内的双极性输入信号

19、式中为取样脉冲序列的幅度。2.2 恢复电路恢复电路为低通滤波器，此处采用由运算放大器NE5532 构成的二阶压控电压源低通滤波器。此外，为抑制尖峰干扰，在运算放大器输出端加上了一级阻容低通无源滤波电路。截止频率约为1kHz 的恢复滤波器电路原理图如图7-4 所示。由R16 和 C7 构成的无源低通滤波电路截止频率较高，对整个恢复滤波器的总体特性影响很小，也可以忽略不计。必要时，可以去除输出阻容滤波部分去除电容C7 即可），仅保留二阶压控电压源低通滤波器。下面主要分析二阶压控电压源低通滤波器部分，阻容滤波的影响 对应的频率响应为(7-17 为避免歧义，式7-16）和 也是低通滤波器的通带增益，当

20、时，。图 7-4 针对取样脉冲序列占空比为50%即）的情形设计，故取，使得恢复信号与原信号幅度基本相同。可根据实际需要设计为其它增益值，当不关心所恢复信号的幅度时，一般也可以默认取。改变图7-4 中 R12、R13、C5、C6 等元件的值，即可改变二阶压控电压源低通滤波器的截止频率、通带幅频响应、过渡带宽度等滤波器特性参数。具体的参数设计方法参阅相关文献，也可在Multisim软件环境下通过仿真进行调整。在系统函数已知的条件下，滤波器的理论频率响应曲线还可以用 Matlab 软件进行分析绘图，参见参考文献5。2.3 信号取样与恢复实验电路板原理图精选学习资料 - - - - - - - - -

21、 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用32184U2ANE 5532567U2BNE 55321234567891011121314151617181920212223242526272829303132JP11234567891011121314151617181920212223242526272829303132JP2D1R1520kR1420kR35.1kR45.1kR1180R2180R52kR134. 7kR1051kR123. 3kC722nFC533nFC30.1uFC40.1uF1S_OUT1PAM_OUT1SQU_IN1

22、S_IN12J412J312J512J112J2-12V+12V1213U1ACD4066VCCVSS+12V-12V-12V+12VR11180R16180C633nF1GND1Vin3GND2+5V1U3MC78L05CPVin2GND1-5V3U4MC79L05CP+C10.33uF+C20.33uF12J61GND2C90.1uFC80.1uFS1RP210kRP110k12 3J7R6180R7180将图 7-3、7-4 结合起来，加上必要的外围电路包括电源、接插件、测试点等）和辅助电路所构成的信号取样与恢复实验电路板原理图如图7-5 所示。图 7-5 信号取样与恢复实验电路板原理图

23、图 7-5 中，恢复滤波器截止频率可设置为固定或可调，由拨动开关S1 进行切换。当S1 拨到左侧时，对应于图7-4，此时滤波器截止频率固定为1kHz 左右；当S1拨到右侧时，可通过调节可调电阻RP1、 RP2 来调 节恢复滤波器的频率响应形状及截止频率，截止频率的调节范围大约为500Hz20kHz ，J7是调节可调电阻时的测试点注意测得的阻值已经包括了与RP1 和 RP2串联的 180欧姆电阻）。JP1 与 JP2 为与实验箱连接的接插件，主要用于给本实验板提供电源。直接给运算放大器NE5532 供电，并通过线性稳压集成电路MC78L05 、 MC79L05 或MC78L08 、MC79L08

24、 ）给模拟开关CD4066 提供电源 VCC 及 VSS）。在输入信号S_IN）、取样脉 冲 序 列 SQU_IN ） 、 输 入 参 考 地 GND2 ） 、 取 样 信 号 输 出 PAM_OUT ） 、 恢 复 信 号 输 出S_OUT ）、公共地 GND1 ，与输入参考地同电位）等6 个点设置了测试环J1-J6）和测试孔，用于接线和连接示波器探头。C3、C4 和 C8、C9 为去耦电容，在PCB 上尽量接近IC 器件 NE5532 、CD4066）的电源引脚进行布局和连线，用于避免因负载波动引起的电源电压变化影响芯片的正常工作。 R5 及发光二极管D1 构成电源指示灯。2.4 信号取样

25、与恢复实验电路板PCB 图与图 7-5 相对应的信号取样与恢复实验电路板PCB 图如图7-6 所示。 PCB 板采用双面板结构，为了便于识别，分别给出了元件布局图、顶层布线图、底层布线图和总体效果图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用在 PCB 焊接元件时，要特别注意以下几点：1）PCB 左右两侧的两个接插件JP1 和 JP2，图 7-6 中未标注）必须反向安装在PCB 的底层！并且一定要注意其安装的方向，保证接插件上的两个圆孔与PCB 上的圆孔完全对准！其余元件均安装在电路板的顶层。2）电

26、阻R5 和电源指示发光二极管D1 位于 PCB 的右上角， R5 和 D1 均为表贴按照的元件，焊接 D1 时注意发光二极管的极性，上端焊盘为阳极、下端焊盘为阴极。3）U1 和 U2 不是直接焊接芯片CD4066 和 NE5532），而是焊接IC 插座 DIP14 和 DIP8），注意 IC 插座的小缺口朝上！焊接后将IC 芯片插到IC 插座上，插入芯片时注意芯片的方向小缺口朝上）！4）“可调电阻测试点”处不需焊接任何元件。5）除测试环之外，其余元件均紧贴PCB 板安装，焊接后元件底面与PCB 之间尽量不留空隙。测试环焊接时，两个焊脚约突出PCB 底层 公司推出的基于Windows 操作系统的

27、电路仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板设计。2005 年， Electronics Workbench 公司被美国NINational Instruments）公司收购，NI 将 Multisim与虚拟仪器软件Labview完美结合，使得其性能获得极大的提升。目前，Multisim是 NI Circuit Design SuiteNI 电路设计套件）的一个主要部分，最新版本为Multisim 12 。本指导书后续介绍均基于Multisim 11 。NI Circuit Design Suite包括两个主要模块：一个是Multisim ，用于电路原理图的设计及功能仿真验证；另一个是Ultib

28、oard ，用于 PCB 设计。本课程设计只用到Multisim 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用a）元件布局图b）顶层布线图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用c）底层布线图d）总体效果图图 7-6 信号取样与恢复实验电路板PCB 图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用采用Mul

29、tisim进行电路仿真分析包括以下几个基本步骤：1）绘制原理图；2）添加激励信号源和电路分析测试仪器仪表；3）设置仿真参数，运行仿真；4）仿真结果输出及分析。下面以信号取样与恢复电路为例，简要介绍这些基本步骤。有关Multisim软件及其使用方法的详细信息，请参阅 Multisim 帮助文档或者其他参考文献。3.1 在 Multisim 中绘制电路原理图Multisim 11 软件运行后的界面如图7-7 所示。主要包括：1）菜单栏与工具栏；2）文档管理区左侧中间区域），为当前已经打开的文档列表；3）仪表工具栏右侧中间边栏），包括各类电路测试分析仪器仪表：示波器、频谱分析仪、频率响应分析仪Bod

30、e 图仪）、函数发生器、计数器、逻辑分析仪、多用表等等；4）图纸区，位于窗口中间区域；5）信息提示区窗口下端），显示软件运行过程中产生的各种文本信息。图 7-7 Multisim 11 软件主界面Multisim原理图绘制的基本方法和其它EDA 软件无根本差异。原理图中的基本要素主要包括：1）元件，从元件库中获取；2）连线，用于连接元件的引脚，表示电路元件中的连接关系；3）标注和注释，主要为了读图的方便，本身没有电气含义。原理图绘制的基本步骤：1）从相应的元件库中找到所需的元件，放置到图纸中适当的位置；2）按照元件之间的连接关系，用连线连接起来； 3）添加必要的标注与注释。精选学习资料 - -

31、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用但需要注意，Multisim元件库中的元件有两种基本类型：一类是所谓的虚拟Virtual ）元件，此类元件通常无具体的型号规格，是一种理想化的元件。例如一个虚拟三极管元件，它只需确定三极管的类型 选择 DIN 标准(b选择 ANSI 标准图 7-8 Multisim 中选择元件符号标准图 7-9 为在Multisim 11 中绘制的信号取样与恢复实验电路板功能仿真原理图，此图采用的是ANSI 元件符号标准。与图7-5 相比，进行了一些简化处理，去除了部分与功能仿真关系不大的电

32、路，如去耦电容、测试环与测试孔、接插件、电源指示灯电路等等。由于元件库中没有型号为CD4066 的元件，图7-9 中采用功能与参数基本一致的MC74HC4066N 代替。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用U1AMC74HC4066N1D21S11IN13VDD14VSS7V312 V R1051kV412 V R1180R45.1k U2ANE5532P32481U2BNE5532P56487R16180R123.3k R134.7k R1520kR1420kC533nFC633nFC72

33、2nFR2180XFG1R35.1k XSC1ABCDGTXBP1INOUTXSA1TINXSA2TINXSA3TINXSA4TINXBP2INOUTXFG2U4LM7905CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU5LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC11 FC21 FC30.1 FC40.1 FU1AMC74HC4066N1D21S11IN13VDD14VSS7V312 V R1051kV412 V R1180R45.1k U2ANE5532P32481U2BNE5532P56487R16180R123.3k R134.7k R1520kR1420kC533n

34、FC633nFC722nFR2180R35.1k U4LM7905CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU5LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC11 FC21 FC30.1 FC40.1 F图 7-9 信号取样与恢复实验电路Multisim 仿真原理图3.2 添加激励信号与测试仪器仪表要让仿真电路工作，需要给电路中输入端接上适当的激励信号。在图7-9 所示的信号取样与恢复电路中，所需要的激励信号就是输入信号和取样脉冲序列。此外，为了在仿真运行过程中或仿真完成之后观测电路运行状态，还需要在仿真电路中添加各种必要的测试仪器仪表。在图7-9 基础上添加激励信号源和分析

35、测试仪器仪表之后，所得到的仿真电路如图7-10 所示。图 7-10 信号取样与恢复实验电路Multisim 仿真测试电路图 7-10 中， XFG1 和 XFG2 为激励信号源，分别用于提供输入信号和取样脉冲序列。XSC1 为四通道示波器，分别测试输入信号、取样脉冲序列、取样信号、恢复输出信号等4 路信号波形。XSA1XSA4为 4 个频谱分析仪，分别对上述4 路信号进行频谱分析。XBP1 和 XBP2 为 Bode 图测试仪，分别用于测试二阶压控电压源低通滤波器和输出阻容滤波电路的频率响应。下面分别简要介绍这里用到的信号源及分析测试仪器仪表的特点和用法，详细使用说明以及其它仪表的使用方法请参

36、阅相关文献 如参考文献 3 ）。3.2.1 信号源精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用Multisim软件中的模拟信号源有多种不同类型，其功能大同小异。主要有：1）Multisim自带函数发生器；2）元件库中集成的信号源Sources），有电压源、电流源等不同类型，作为电路元件，直接接入原理图中；3）虚拟的Agilent 函数发生器。图7-10 中采用的是Multisim自带的函数发生器，下面仅对此信号源作简要介绍。Multisim自带函数发生器可提供1 路波形输出，在Multisim软件中

37、双击原理图上的函数发生器，将弹出如图7-11 所示的函数发生器设置窗口，可设置的工程包括波形形状正弦波 /三角波 /方波）、频率、幅度、占空比Duty Cycle ）、直流偏移 Offset）等。图 7-11 Multisim 自带函数发生器设置窗口3.2.2 示波器Multisim 环境中使用的示波器由两种类型：1）Multisim自带的示波器，有4 通道和2 通道两种。图7-10 中使用的是自带的4 通道示波器，这种示波器4个通道的参考端共地，无需连接参考端，但只能用于测量测试点与地GND ）之间的波形，使用受到一定限制。2 通道示波器的两个输入通道参考端相互隔离，可以分别测试两路具有不同

38、参考端的波形，使用更为灵活方便，但在使用中每个通道需同时连接信号端与参考端参考端悬空时默认接地）。双击原理图界面中的示波器元件，将弹出如图7-12 的界面 以图7-10 中的4 通道示波器为例）。在仿真过程中，此界面将显示各测试点的波形，可以通过该界面设置示波器的垂直量程、扫描时间、波形上下偏移量等参数，单击“Reverse”按钮还可把波形界面背景改为反色白色）显示。界面与一般物理示波器略有不同，但其功能及操作方法基本相似。还可以用鼠标横向拖动示波器显示屏上的两个时标T1、T2，放置于适当位置，用于测量特定时间点的波形值或者两个波形之间的相位 时间）差。图 7-12 中示波器显示的波形从上到下

39、依次为：输入信号、取样脉冲序列、取样信号、恢复输出精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用信号。示波器显示屏中两个时标T1、T2 分别置于输入信号与恢复信号的峰值点，可以测得输入输出信号峰值点的时间差T2-T1=219.905us 。再根据信号频率为1kHz 每个周期为1ms），则可估计输入输出信号之间的相位差 又因为A 通道 输入信号） T1 点峰值为4.829V，D 通道 输出信号） T2 点峰值为1.830V ，可以计算出输入输出信号的幅度比值 图 7-12 Multisim 自带示波器显

40、示及设置窗口2）虚拟示波器，有Agilent 54622D 和 Tektronix TDS2024 两种型号，它提供与对应型号物理示波器完全相同的操作界面，主要是为了便于习惯操作物理示波器的技术人员使用。例如，如果在仿真电路中使用Tektronix TDS2024 虚拟示波器，则双击该示波器，将弹出如图7-13 所示的Tektronix TDS2024 示波器操控界面。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 7-13 Tektronix TDS2024 虚拟示波器操控界面3.2.3 频谱分析

41、仪Multisim自带的频谱分析仪可分析1 路信号 以地为参考端）的幅度谱。双击仿真电路中的频谱分析仪，将弹出如图7-14 所示频谱分析仪界面。图 7-14 频谱分析仪显示及设置界面在此界面中，左侧显示屏显示所测量信号的频谱，右侧可设置测试参数，包括频率范围、幅度范围、线性 Lin ）或对数 dB）幅度刻度选择、分辨率等等，点击Set按钮还能进一步设置FFT 点数将影响频谱分辨率和计算速度）等参数。参数设置必须在Stop 状态进行，设置完后点击Enter 按钮确认，然后点击Start按钮可按新设置参数重新开始频谱分析。3.2.4 Bode 图分析仪Bode 图分析仪用于分析系统的频率响应，分别

42、将系统输入端和输出端含参考端）接入Bode 图分析仪，则在启动仿真运行之后，该分析仪将显示系统子系统）的幅频响应或相频响应。双击仿真精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用电路中的Bode 图分析仪，将弹出如图7-15 所示的窗口图 7-15 Bode 图分析仪显示及设置界面在此界面中，左侧显示屏显示所测量系统的频率响应，可通过右侧按钮选择显示幅频响应Magnitude ）或相频响应Phase）。此外，还可以设置水平频率）和垂直量程，并选择线性Lin ）或对数 Log）刻度。3.3 设置仿真参数

43、并启动仿真Multisim中可设置仿真时间、仿真步长timestep）、初始条件、SPICE 仿真选项等众多仿真参数，选择Simulate 菜单下的Interactive Simulation Settings 项，将弹出如图7-16 所示的仿真参数设置窗口。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 7-16 Multisim 仿真参数设置窗口通常情况下，可以直接使用软件默认的仿真参数，无需修改。当因参数设置不合理导致仿真出现收敛性问题时，Multisim将启动一个仿真参数自动调整过程，可以解

44、决大多数仿真参数设置导致的收敛性问题。但如果问题出在电路原理上，软件无法自动解决。一个很容易出现的仿真收敛性问题是电路原理图中没有设置接地点一个仿真电路中必须由至少一个接地点作为参考端，仿真才能正常进行）。绘制好仿真原理图并设定好仿真参数之后，选择Simulate 菜单下的Run 项或者点击工具栏上的绿色三角形图标，参见图7-7），则可启动仿真过程。仿真过程中，可双击各测试仪器仪表，实时观测电路运行状态，参见图7-127-15。还可通过相应菜单或工具栏图标暂停Pause）或中止 Stop）仿真过程。仿真过程中止后，各测试仪器仪表仍保留已经获得的仿真结果，直至重新开始仿真Run）才清空上一次的结

45、果。3.4 基于 Multisim 的信号取样与恢复实验电路仿真分析下面针对信号取样与恢复电路，举例说明如何基于Multisim来进行电路的仿真分析。本节仿真分析采用图7-10 所示的仿真电路。恢复滤波器的截止频率在1kHz 左右。3.4.1 无混叠条件下信号取样与恢复电路仿真分析3.4.1.1 仿真设置和运行首先按照无混叠的条件，确定所采用的仿真输入信号和取样脉冲序列：1）输入信号采用1kHz正弦波，幅度为5V 峰峰值； 输入信号设置 (b取样脉冲序列设置图 7-17 仿真激励信号源设定然后根据各测试点信号的具体情况，设置好各测试仪器仪表的参数。若事先难以准确确定其参精选学习资料 - - -

46、 - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用数，也可以在启动仿真之后再来进行调整。本次仿真中各仪表的具体参数设置情况可在后续的截图中看到，在此不一一详述。采用默认仿真参数设置，启动仿真，并观测可在仿真运行过程中或者停止运行之后观测）各仪器仪表的结果，必要时调整仪器仪表的设置以获得更好的观测效果。对仿真结果的分析主要包括以下几个方面：1）观察各关键点的结果是否与预期结果吻合，以确定电路基本功能是否正常；2）对一些关键信号和关键参数进行定量分析，以确定是否满足工程实际的需要，或者是否与理论分析相吻合； 3）改变激励信号或修改电

47、路元件参数，对不同激励和不同元件参数条件下电路的工作状态进行对比分析。本小节主要分析前2 个方面的结果。3.4.1.2 示波器仿真测试结果分析4 通道示波器XSC1 的测试结果如图7-18 所示，从上到下依次为：输入信号A 通道）、取样脉冲序列 B 通道）、取样信号C 通道）、恢复输出信号D 通道）。首先，从各点信号的波形形状可知，与信号取样与恢复电路的基本工作原理和预期结果是吻合的各点波形形状及其特点可进一步阐述）。定量分析可以考察以下两个方面：1）采用模拟开关取样电路的取样特性：由式7-15）可知，采用模拟开关取样时，取样脉冲序列的幅度只要满足模拟开关的控制需要，对取样结果的幅度不会有影响

48、。例如，图7-18 中 T1 时标点：输入信号幅度为4.813V，取样输出幅度为4.780V，两者基本相等，其微小差异是由模拟开关的导通电阻压降所导致的。取样脉冲序列的幅度为4.829V ，但它对取样输出幅度无影响可尝试用其它幅度的取样脉冲序列进行仿真对比）。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 7-18 4 通道示波器测试结果2）恢复信号与输入信号的相位和幅度差异，相位差异主要是由恢复滤波器的相频响应决定，幅度差异取决于恢复滤波器的幅频响应以及取样脉冲序列的占空比。与式7-19）和式 7

49、-20）的分析类似，根据图7-18，可求得输入输出信号相位差输出滞后输入）和幅度比值 (7-22 式 7-19）是在取样频率为16kHz 时的结果，与此处取样频率为8kHz 的结果相比，两者无明显差异，说明取样频率对输入输出信号的相位和幅度差异基本不会有什么影响。3.4.1.3 Bode 图分析仪仿真测试结果分析要进一步分析恢复滤波器是如何影响输入输出信号的相位和幅度差异，则需进一步考察恢复滤波器的频率响应。该频率响应可以根据对恢复滤波电路的理论分析，获取数学模型见式 7-16）、7-17），然后用Matlab 等数学工具软件来获取，也可以在Multisim中用 Bode 图分析仪测出。此处仅

50、采用Bode 图分析仪测取的频率响应，采用Matlab 软件获取频率响应并进行相关分析的过程由读者自行完成。Bode 图分析仪XBP1 和 XBP2 测得的二阶压控电压源低通滤波器和阻容无源滤波电路的频率响应二阶压控电压源低通滤波器幅频响应二阶压控电压源低通滤波器相频响应阻容无源滤波电路幅频响应阻容无源滤波电路相频响应XBP2 ）图 7-19 Bode 图分析仪XBP1 和 XBP2 测试结果图 7-19 分别精确定位了两级滤波器在1kHz 频率点出的幅频和相频特性，据此可直接定量分析取样信号恢复前后的幅度和相位差异：1）相位差异分析。在1kHz 处，二阶压控电压源低通滤波器的相频响应为-71

51、.043 ），即滞后71.043，阻容无源滤波电路相频响应为-6.452），即滞后6.452。两级滤波累计滞后为71.043+6.452=77.495 ，与式 7-19）、 7-21）的实测结果基本一致。2）幅度差异分析。1kHz 处，二阶压控电压源低通滤波器的幅频响应为1.943），阻容无源滤波电路幅频响应为0.993）。两级滤波串联幅频响应为1.9430.993=1.930。此外，输入输出幅度差异还与取样脉冲序列占空比有关，由式 此处，占空比取20%，故。综合前面的结果，输入输出幅度比值输出 /输入）理论值为 1.9300.2=0.386，与式 7-20）、 7-22）的实测结果基本一致。

52、此外，利用Bode 图分析仪，还可以测定滤波器的截止频率。下面以二阶压控电压源低通滤波器为例进行说明。根据截止频率的一般定义，截止频率取为幅频响应的-3dB中， 1kHz 输入信号幅度为4.826V，与图 7-18 示波器测量值4.813V 基本一致。在采用占 空 比20% 的 取 样 脉 冲 序 列 取 样 后 ， 图7-21(c 中 ， 1kHz基 波 的 幅 度 为952.223mV ， 与4.826*0.2=0.965V 的理论值基本吻合。采用恢复滤波器恢复之后，图7-21(c中， 1kHz 输出信号的幅度为 1.846V，与图7-18 示波器测量值1.854V 基本一致，也与952.

53、223mV 1.930=1.838V 的理论结果相吻合。对于频谱图中其它峰值频率点信号幅度之间的关系，可以根据取样的原理和恢复滤波器的幅频响应，进行详细的定量分析，此项工作由读者自行完成。(a输入信号频谱取样脉冲序列频谱取样信号频谱恢复输出信号频谱XSA4 ）图 7-21 频谱分析仪XSA1XSA4仿真测试结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用3.4.2 有混叠条件下信号取样与恢复电路仿真分析3.4.2.1 仿真设置和运行首先按照有混叠的条件，确定所采用的仿真输入信号和取样脉冲序列：1）输

54、入信号采用7kHz正弦波，幅度为5V 峰峰值； 2）取样脉冲序列仍采用8kHz 矩形脉冲，占空比20%，幅度5V。并据此对仿真电路中的激励信号源XFG1 和 XFG2 进行设置。其它设置与无混叠时相同。有混叠条件下的各仿真测试波形分析可参照无混叠的情形进行，不再一一赘述。下面重点分析在有混叠条件下，取样与恢复结果与无混叠时有何差异。3.4.1.2 示波器仿真测试结果分析4 通道示波器XSC1 的测试结果如图7-22 所示，从上到下仍然依次为：输入信号A 通道）、取样脉冲序列 B 通道）、取样信号C 通道）、恢复输出信号D 通道）。与图7-18 相比，最主要的差异是恢复信号与输入信号的频率不相同

55、。输入为7kHz 信号，取样恢复的输出却为1kHz 信号，其原理已经在1.2 节进行了分析。输入信号的峰值为4.829V，而输出信号的峰值为1.711V，该结果也可以通过理论分析进行验证：因为 1.2 节理论分析过程中采用的恢复滤波器为理想低通滤波器，通带幅频响应恒为5，而本电路在 1kHz 处恢复滤波器的幅频响应为1.930。根据式 与实测值基本吻合。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 7-22 有混叠条件下的取样与恢复信号波形3.4.2.3 频谱分析仪仿真测试结果分析频谱分析仪XSA

56、1 、XSA3 、 XSA4 的仿真测试结果如图7-23 所示，此处重点关注图7-23(b所示的取样信号波形。由于混叠的原因，第1 个周期延拓 中心频率为8kHz）左侧的频谱峰值输入信号频谱取样信号频谱恢复输出信号频谱XSA4 ）图 7-23 有混叠条件下的取样与恢复信号频谱3.5 Multisim 仿真结果的输出将仿真分析得到的结果数据、波形等）输出到其它软件如 Word、Matlab）中，是在实际工作中经常面临的问题。Multisim 中仿真结果的输出有两种基本方法：一种比较简单的方法是通过屏幕截图的方式，直接将各种分析测试仪器仪表的仿真结果转换为图片，然后再插入到其它软件中。本指导书前面

57、几节均采用此方式输出仿真结果并插入到Word 文档中。另一种更为通用的方法是利用Multisim 的 Grapher View 窗口，这种方法可以获得更好的输出图片质量，还能将测试结果保存为数据文件，供其它软件如 Matlab）使用。选择 View 菜单下的Grapher 项或点击工具栏上相应图标），则可打开如图7-24 所示的 Grapher View 窗口。该窗口将本仿真电路中用到的所有测试仪器仪表集成在一起，每个仪表对应窗口中的一个标签，选择相应标签即可显示对应仪表的测试结果。图7-24 中显示的即是4 通道示波器XSC1 的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结

58、 - - - - - - -第 31 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用测试结果。除了测试仪表，Grapher View 还能用于显示Multisim 中各种仿真分析工具的结果包括图形和数值）。这些仿真工具包括直流工作点分析、交流分析、暂态分析、傅里叶分析、噪声分析、畸变分析等等，详见Simulate 菜单下的Analyses 项。各种分析工具的具体使用方法请参阅相关文献。图7-25 给出了一个对取样输出信号有混叠条件下）进行傅里叶分析的结果，其波形与XSA3的测试结果类似，但它除了波形之外，还能给出各种定量分析数据，如各次谐波幅度、总谐波畸变率THD ）等等。图 7-24 Graphe

59、r View 窗口 测试仪表结果）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 7-25 Grapher View 窗口 取样输出信号傅里叶分析结果）Grapher View 中显示的波形，除了可以截图输出，它本身还具有波形拷贝功能。在Grapher View的 Edit 菜单中选择Copy Graph或者 Copy Table，取决于选定的对象是波形还是表格），则将把选定对象复制到剪贴板，可以插入到其它文档或者其它Grapher View 标签中 注意，只有波形可以拷贝到Word 文档中，表格无

60、法拷贝）。图7-24 中 XSC1 的波形用剪贴板拷贝输出的结果如图7-26，图 7-25 中傅里叶分析波形的拷贝输出的结果则示于图7-27。图 7-26Grapher View 剪贴板输出的XSC1 波形精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 34 页个人资料整理仅限学习使用图 7-27 Grapher View 剪贴板输出的傅里叶分析波形Grapher View 的结果 包括波形和表格）还能以数据的形式输出。输出方式有两种选择：1）Excel 表格文件； 2）测量文件 支持 lvm、tdm、csv、 dlm 等 4 种不同

61、格式）。如果需要将结果保存为数据文件，则可在Grapher View 的 Tools 菜单中选择Export to Excel 或者 Save Data to Measurement Files。4. 信号取样与恢复实验电路的制作与调试信号取样与恢复实验电路的原理图和PCB 图分别示于图7-5 和图 7-6。 PCB 已经制作完成，所用元件也均采购到位。按照电路原理图和PCB 图，完成实验电路板的元件安装焊接。在此再次特别强调注意： JP1、JP2应该焊接到反面，U1 和 U2 不是直接焊接芯片，而是焊接DIP 插座。完成电路板焊接并确认无误后，按以下步骤进行调试与测试：1 ）将电路板插到信号

62、与线性系统实验箱并接通实验箱电源，确认实验板上的电源指示LEDD1 ）是否正常点亮。2）关闭实验箱电源，参照参考文献6中的相关步骤，将同步信号源实验电路板也插到实验箱上，完成同步信号源电路板与信号取样与恢复电路板的连接主要就是连接输入信号和取样脉冲序列），信号源也可以采用其它的信号发生器。3）接通实验箱电源，调节适当的输入信号和取样脉冲序列，用示波器观察取样输出和恢复输出点得波形，是否与预期相吻合。4）确认信号取样与恢复实验电路板工作正常之后，根据课程设计内容要求，完成相关的测试分析工作。测试分析的思路与Multisim 仿真分析类似，不再一一赘述。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 34 页，共 34 页