关于Multisim实现单道脉冲幅度分析器分析器

基于Multisim的调幅电路的仿真1.前言信号调制可以将信号的频谱搬移到任意位置，从而有利于信号的传送，并且是频谱资源得到充分利用。

调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致相互干扰。

而要还原出被调制的信号就需要解调电路。

调制与解调在高频通信领域有着广泛的应用，同时也是信号处理应用的重要问题之一，系统的仿真和分析是设计过程中的重要步骤和必要的保证。

论文利用Multisim提供的示波器模块，分别对信号的调幅和解调进行了波形分析。

AM调制优点在于系统结构简单，价格低廉，所以至今仍广泛应用于无线但广播。

与AM信号相比，因为不存在载波分量，DSB调制效率是100%。

我们注意到DSB信号两个边带中任意一个都包含了M(w)的所有频谱成分，所以利用SSB调幅可以提高信道的利用率，所以选择SSB调制与解调作为课程设计的题目具有很大的实际意义。

论文主要是综述现代通信系统中AM ,DSB,SSB调制解调的基本技术，并分别在时域讨论振幅调制与解调的基本原理, 以及介绍分析有关电路组成。

此课程设计的目的在于进一步巩固高频、通信原理等相关专业课上所学关于频率调制与解调等相关内容。

同时加强了团队合作意识，培养分析问题、解决问题的综合能力。

本次综合课设于2011年6月20日着手准备。

我团队四人：曹翔、李婷婷、赖志娟、刘少楠分工合作，利用两天时间完成对设计题目的认识与了解，用三天时间完成了本次设计的仿真、调试。

2.基本理论由于从消息转换过来的调制信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不宜传输。

因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程，同时在接受端则需要有解调过程从而还原出调制信号。

所谓调制就是利用原始信号控制高频载波信号的某一参数，使这个参数随调制信号的变化而变化，最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的调幅(AM)、调频(FM)、调相 (PM)三种。

Multisim 电路仿真分析（一）Multisim 12.0提供了多种电路仿真引擎，包含Xspice、VHDL和Verilog等。

电路仿真分析的一般流程为：（1）设计仿真电路图；（2）设置分析参数；（3）设置输出变量的处理方式；（4）设置分析项目；（5）自定义分析选项开始/终止仿真分析，可以单击仿真运行开关按钮，或者执行主菜单的Simulate|Run命令。

暂停/继续仿真分析，可以单击仿真运行开关按钮，或者执行主菜单的Simulate|Pause命令。

1. Multisim 12.0的仿真参数设置在使用Multisim12.0进行仿真分析时，需要对各类仿真参数进行设置，包含仿真基本参数（仿真计算步长、时间、初始条件等）的设置；仿真分析参数（分析条件、分析范围、输出结点等）设置；仿真输出显示参数（数据格式、显示栅格、读数标尺等）设置。

1）仿真基本参数的设置仿真基本参数的设置，可以通过执行Simulate|Interactive Simulation Settings 命令，打开交互式仿真设置对话框，如图2-1所示，通过修改或者重设其中的参数，可以完成仿真基本参数的设置。

图3-1 仿真基本参数设置对话框2）仿真输出显示参数的设置仿真输出参数的设置，是通过执行View|Grapher命令，打开Grapher View 仿真图形记录器，对话框如图3-2所示。

图3-2 Grapher View仿真图形记录器2. Multisim 12.0的仿真分析Multisim12.0提供了多种仿真分析方法，如图3-3所示，主要包含：直流工作点分析（DC Operation Point Analysis），交流分析(AC Analysis)，单频交流分析( Single Frequency AC Analysis)，瞬态分析( Transient Analysis)，傅立叶分析( Fourier Analysis)，噪声分析(Noise Analysis)，噪声系数分析( Noise Figure Analysis)，失真分析( Distortion Analysis)，直流扫描分析( DC Sweep Analysis)，灵敏度分析( Sensitivity Analysis)，参数扫描分析( Parameter Sweep Analysis)，温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis)，极点-零点分析( Pole-Zero Analysis))，传递函数分析(Transfer Function Analysis)，最坏情况分析( Worst case Analysis)，蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis)，批处理分析(Batched Analysis)和用户自定义分析(User Defined Analysis)等。

多道幅度分析器原理在γ能谱测量中,线性脉冲放大器输出的脉冲幅度正比于入射射线的能量;分析脉冲的幅度就可以了解入射射线的能量,分析脉冲幅度的电路称为脉冲幅度分析器;其中,只测量一个幅度间隔内脉冲数的脉冲幅度分析器称为单道脉冲幅度分析器；可以同时测量多个幅度间隔内脉冲数的脉冲幅度分析器称为多道脉冲幅度分析器;多道脉冲幅度分析器的原理框图,如图所示;它的原理是利用A/D转换将被测量的脉冲幅度范围平均分成2n个幅度间隔,从而把模拟脉冲信号转化成与其幅度对应的数字量,称之为“道址”;在存储器空间里开辟一个数据区,在该数据区中有2n个计数器,每个计数器对应一个道址;控制器每收到一个道址,控制器便将该道址对应的计数器加1,经过一段时间的累积,得到了输入脉冲幅度的分布数据,即谱线数据;这里提到的幅度间隔的个数就是多道脉冲幅度分析器的道数,它由n值决定;根据上述多道脉冲幅度分析器的原理,可以得出多道脉冲幅度分析器要做的具体工作一方面是把前向通道输出的模拟信号进行模一数转换,并将其转换结果进行处理、存储和显示;一台完整的核地球物理仪器,常可分为两部分:核辐射探测器和嵌入式系统;多道脉冲幅度分析器是嵌入式系统的核心部分;多道脉冲幅度分析器一方面采集来自放大器的信号并进行模数转换,同时存储转换结果;另一方面将存储的转换结果进行数据分析,并直接显示谱线,或者通过计算机接口送给计算机进行数据处理和谱线显示;图多道脉冲幅度分析器框图多道脉冲幅度分析器的原理结构框图如图2-2所示;脉冲信号在通过甄别电路和控制电路时,甄别电路给出脉冲的过峰信息,并启动A/D转换;A/D转换电路对脉冲信号峰值幅度进行模数转换,并将转换结果存储在片上Flash中,由微控制器进行相应的数据处理;峰值检测电路峰值检测电路根据实际需求可分为两种类型:数字型和模拟型;数字式峰值检测电路要以高速处理器为核心,结合高速ADC,在采样脉冲的控制下,对信号进行连续测量,得到原始测量数据,再通过一种算法,解算出脉冲峰值信息;比如我们一个脉冲是l,us脉冲宽,那么我们至少在l,us内进行大于10次以上的ADC转换值,然后再对这些值进行处理,得到一个最大值,认为这个值是峰值,接着这个值与我们设定的阐值进行比较,如果是大于闭值,那么我们认为是一个脉冲峰值,否则,认为是干扰噪声,我们丢弃这个数据;这就要求我们的CPU 有足够的处理速度,ADC有足够快的转换速度;典型的方案是DSP处理器结合FPGA以及高速ADC;模拟型峰值检测电路相对就简单多了,只有在脉冲信号到来的时候,峰值检测电路给出过峰时间信息,启动ADC转换;难点在于这个峰值信息的获取,以及峰值信号的采样保持;从功能角度考虑,数字型峰值检测电路相对于模拟型峰值检测电路来说,具有更大的灵活性、准确性、可靠性等优点;但考虑到放大电路输出射线脉冲宽度的本身特性,综合了开发难度、开发周期、开发成本等实际问题,选用了模拟型峰值检测电路方案;多道脉冲幅度分析器是整个数据采集卡的核心部件,其结构图如图所示;多道脉冲幅度分析器的作用是将被测量的模拟信号转换成计算机所能识别的数字量,即完成对脉冲幅度的甄别;其工作原理是:不同幅度的模拟信号转换成对应的数字信号,这个数字代表一个道地址,以道地址作为存储器的地址码来一记录脉冲个数;各道地址的计数就可以把脉冲的分布情况表现出来;由于脉冲幅度大小是各元素辐射能量的不同表现,从而得到各元素辐射能量的分布情况;多道脉冲幅度分析器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路以及ARM 嵌入式系统构成,控制核心为嵌入式系统LPC2142;下面将分别加以介绍;甄别电路和控制电路核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系,测量这些脉冲的幅度,就可以得到辐射的能量,可见,脉冲幅度测量技术在能谱测量中是一个重要的问题;在多道脉冲幅度分析器中,通过用甄别电路和控制电路来完成对脉冲幅度的测量;甄别电路和控制电路的原理图见图所示;甄别电路的主要功能是完成信号的过峰检测和去除信号噪声等;控制电路则是根据甄别电路提供的信号时序对模拟开关、模数转换进行控制;控制电路必须和甄别电路的时序严格结合起来,才能完成信号峰值的检测;甄别电路由两个比较器单元、分压电阻、低漏电容组成;比较器单元采用LM319,分别完成信号脉冲检测和过峰检测功能;U1A作为闭值比较器用以信号脉冲检测,当U1A的同相输入端电压高于反相输入端的电压闽值电压时,U1A的12端输出为高电平,认为有信号输入;调节UIA的5端电压,可以控制多道脉冲幅度分析器分析的最小脉冲幅度;UIB作为峰值检测比较器用以过峰检测,当峰值通过后,U1B的同相输入端电压高于反相输入端电压,U1B的7脚输出端为高电平,给控制电路提供脉冲过峰信息,由控制电路控制ADC的后续工作;控制电路的主要功能是响应脉冲检测电路的上升沿输出信号、响应过峰检测电路的上升沿输出信号以及响应微处理器的复位、置位信号,控制模拟开关MAX4O66,从而完成对A/D 读入/转换状态的控制;控制电路由D触发器74HC74构成;74HC74特性如表5一1所示;表5一1 D触发器74HC74特性表甄别电路和控制电路的具体工作过程如下:微处理器LPC2142通过口给控制电路发出信号,使控制电路处于工作状态;脉冲信号到达多道脉冲幅度分析器后,由甄别电路进行甄别,过峰后将峰值通过的时间信息提供给控制电路;.控制电路启动模数转换;A/D转换完毕后,微处理器控制中心产生中断,进行转换数据的读取、处理和存储工作,同时,将GATE门重新复位为O,使控制电路处于不工作状态;中断完毕后,微处理器LPC2142将GATE门置位为1,使控制电路重新处于工作状态,准备接收下一个脉冲信号这样,就完成了对一个脉冲信号的采集和处理过程,甄别电路和和控制电路的工作流程如图所示;峰值保持电路一般主放大器的输出脉冲信号的峰顶宽度很窄,不满足A/D转换的时间要求;采用峰值展宽电路对脉冲进行展宽和保持,使峰值保持足够长的时间,以保证A/D转换过程中峰值的稳定;峰值保持电路由CA3140放大器、开关二极管、低泄露保持电容等组成,电路图如图所示;图中,两个跟随器的作用在于阻抗变换,保证信号能够完全、不失真地输入到后级电路;脉冲信号通过开关二极管对电容充电,同时由CA3140放大器增强驱动能力,以便后续的A/D 转换器的准确采样;模数转换电路D转换器的选择A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量;对于多道脉冲幅度分析器而言,就是用于快速、准确地对输入的核脉冲信号进行采样编码、将脉冲幅度值转换成微处理器所能处理的数字量;转换后的数字量经过一定处理后作为存储器的道地址码,随之在该道地址码对应的存储器中进行加1运算,即完成一个脉冲的分析转换;A/D转换电路作为多道脉冲幅度分析器的一个关键部件,其性能好坏直接影响着整个系统的能量分辨率和转换精度等参数;在ADC器件选择上,主要从功耗、分辨率、转换速度和转换精度几个方面综合考虑,根据系统的实际要求选择合理的ADC芯片;虽然本系统中采用的嵌入式微处理器LPC2142内部集成了一个8路的10位ADC转换器,但经过多次试验证明:利用其自身的ADC模块进行A/D转换后,微处理器不能进入相应的A/D 中断服务程序读取转换结果,即使利用查询方式来读取A/D转换结果,其转换精度和速度也达不到要求;若采用外部ADC进行转换时,微处理器就能进入相应的A/D中断服务程序读取转换结果,且转换精度和速度符合系统要求;为此,我们采用了硬件上微控制器外接一块ADC 模块软件上,采用中断方式编写相应的A/D中断服务程序方案;这不仅提高了微处理器的执行效率,同时使系统软件设计更加简洁;表5一2列出了几种比较典型的ADC芯片对比参数;由表5一2对比可以看出,ADS774除了引脚和封装兼容AD1674以及与AD1674具有相同的O到10V模拟量输入范围,可以替代AD1674以外,更具有新的模拟量输入范围:单极性输入还可以连接成0到5V的范围;模拟量输入范围的降低,对于整个便携式系统降低功耗有着非常重要的意义;经过比较论证ADS774具有功耗低、转换速度快、单电源供电、控制简单、性价比高和新的模拟量输入范围等优点,综合考虑,本系统的ADC选用了ADS774芯片;在本系统的实际应用中,我们利用ADS774独特的输入电阻网络,将其模拟量输入范围设置为单极性O到+5V范围;由于内部采样电容阵列的输入范围为O到+,而ADS774的模拟输入必须转换为这个范围;具体接法是:ADS774的10V范围输入端悬空,20V范围输入端接地,脉冲输入信号由BIPOFF双极性补偿调整端进入;如图所示;D转换器与ARM的连接ADS774与嵌入式微处理器的连接如图所示;R1多道脉冲幅度分析器设计多道脉冲幅度分析器是多道数据采集系统的核心部件;多道脉冲幅度分析器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路、ARM嵌入式系统组成,控制核心为嵌入式系统;它的基本功能就是按输入脉冲的幅度分类计数;多道脉冲幅度分析器将能够分析的脉冲幅度范围分成多个幅度间隔,幅度间隔的个数就是脉冲幅度分析器的道数,幅度间隔的宽度就是脉冲幅度分析器道宽;道数越多,幅度分布分析的越精细,各个道的计数相应减少,需要测量的时间就要加长,硬件电路也随着复杂,因此,不应盲目追求道数;通常,要求在幅度峰的半宽度范围内应有5-10道,对于采用NaI探测器的多道能谱仪,由于它的能量分辨率比较差,128道至256道就能满足测量要求;对于半导体探测器,则需要1024-8196道;4.1.1脉冲线性主放大器主放大器是放在前置放大电路和甄别电路之间,需要增益调节来补偿核辐射探测器输出脉冲幅度的变化;由于探测器输出的脉冲信号幅度比较小为几十毫伏至几百毫伏,脉冲宽度比较窄,为了能进行信号幅度分析,实现能谱测量,需要脉冲线性放大器将脉冲信号进行幅度的线性放大与脉冲的成形;脉冲放大器的主要技术指标有:1.放大倍数:应按放大器的输入脉冲幅度和所要求的输出幅度来确定;因为前放输出的电脉冲信号幅度一般可以调至几百毫伏左右,放大器输出脉冲幅度在1 ^-5V范围内,所以放大倍数应在10倍左右,考虑到前置放大器输出的信号幅度有差异性,放大倍数采用可调试;2.放大器的频带宽度:前放输出的脉冲宽度受有关电路影响,一般为几个us,因此,要求放大器的频带宽度为1 --2MHz3.放大器的噪声:考虑到来自前放的信号幅度比较小,要求选用的放大器的输入噪声应尽可能的小;选用低噪声的运算放大器元件可以有效减少电路内部固有的噪声;4.其他,诸如放大器的输入阻抗、抗计数过载、放大器的稳定性、功耗等在电路设计和调试时也应考虑;脉冲线性主放大器的电路示意图如图4-1和4-2所示可以接收前放输出的正脉冲或者负脉冲;由于α脉冲信号通过整形后大概有1-2个微秒的脉冲宽,γ脉冲信号通过整形后大概有3-5个微秒的脉冲宽,所以在选用运算放大器时要考虑到运放的转换速度;本系统运算放大器选用CA3140,它具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、温漂小等特点〔19,主要参数:开环增益:100dB;输入阻抗:1. 5 X 10120;增益带宽乘积:4. 5I4}-Iz ;转换速度:9V加s;工作温度范围:-55--+125o C主放大器的主要参数经测试或估算如下:放大倍数:5 ---15倍;脉冲幅度放大线性范围:20mV --5000mV,线性优于5%输出噪声:<1mV;工作电压:正负12V;工作电流:6. 2mA4.1.2峰值检测电路峰值检测电路由甄别电路和控制电路两部分构成,甄别电路的作为检测信号时序,控制电路是根据甄别电路的时序对模拟开关、ADC转换进行控制;控制电路必须跟甄别电路的时序严格结合在一起,才能完成峰值检测的任务;我们知道,核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系,测量这些脉冲的幅度,就可以知道辐射的能量;可见,脉冲幅度测量技术在核能谱测量中是一个重要的问题;甄别电路需要解决三个与信号相关的信息:超过阈值信号信息;过峰时间信息,即启动ADC转换的时间信息;ADC完成转换时间信息;甄别电路中存在以下三个关键问题,研究工作中要予以注意:由于放大器输出的α和γ射线脉冲宽度比较窄约l,us到5μs,本系统选用的ADC 转换速度为2,us,最快采样时间是5μs,所以对脉冲信号峰值要进行峰值展宽;采样保持电路要求采样速度快,保持时间能达到ADC采样时间指标;由于脉冲信号的随机性,防止信号来的过密而引起漏计;本系统采用2μs转换速度的ADC,所以从理论上分析,如果两个信号相隔2μs内,则会引起漏计,由于CPU处理速度等问题的存在,实际上这个时间间隔可能长3-10倍,即6μs --50μs之间根据CPU处理速度及代码量而定,甚至更多;实际信号出现这种情况几率很少,所以可以忽略这个问题;要解决由于信号过密,引起的幅度信号错误纪录;高能区的信号可能被误计为低能区的信号,容易引起低能计数偏大高能计数偏小的问题;甄别电路和控制电路的原理图见图4-3所示;甄别电路的主要功能是完成过峰检测和去除信号噪声的功能;通过设定闭值,将信号中能量小于阐值的噪声去;峰值通过后,提供信息控制电路;控制电路的主要功能是完成对A/D读入/转换状态的控制;控制电路由74LS74触发器构成,74LS74的特性如表4一1所示;甄别和控制电路具体工作过程如下:嵌入式微处理器控制中心给控制电路发出信号,控制电路处于工作状态;脉冲信号到达多道脉冲幅度分析器后,由甄别电路进行甄别,过峰值后将峰值通过的时间信息提供给控制电路;控制电路启动模数转换;模数转换完毕,嵌入式微处理器控制中心产生中断,同时使控制电路转入不工作状态,并进行相应的数据处理;中断完毕,单片机发信号使控制电路重新处于工作状态采样开始时,先由ARM通过控制74LS74来启动A/D,然后,使U201B的CD和U201A 的CD及SD端输出高电平,控制电路处于接收信号状态;当信号上升沿的能量低于设定的闭值电压时,U201B的CLK端为低电压,此时,U201B的CD, SD端均为高电平,输出端9脚保持原来的低电平不变;当信号上升沿的能量高于设定的闭压值时,U201B的CLK端为高电压,输出端9脚输出高电平,启动U201A;当脉冲没有达到峰值时,比较器U202A同相输入端电压低于反相输入端电压,12端输出低电压,过峰后,12端输出高电平,R/C输出低电平启动A/D转换;转换完毕后,由ARM重新控制A/D进行下一个脉冲信号进行采集;甄别电路和控制电路的工作流程如图4-4所示;4. 1. 3模数转换电路模数转换电路是核数据脉冲幅度分析器的核心电路,它的作用是:将模拟量转换成数字量,并将转换结果反馈给微控制;对多道脉冲幅度分析器而言,就是用于快速、高精度地对输入的核脉冲信号进行采样,将脉冲的幅度值转换成微控制器所能够处理的数字量;模数转换电路作为多道脉冲幅度分析器的关键部件,其性能的好坏直接影响整个系统的能量分辨率和转换精度等参数;表4-2列出了几种不同A/D芯片的对比参数;表4-2几种不同A/D芯片参数比较综合对多道脉冲幅度分析器的ADC芯片的主要性能指示如转换速度,功耗,转换精度等的考虑,本系统选用了ADI公司的AD7994, AD7994是4通道12位低功耗逐次逼近式ADC,通过工IC总线进行数据传输,选择器件地址及接口模式;最高采样率为188ksps,转换时间为2μs,工作电压提供为+5V单电源,使用外部参考电压4. 906V目前,由于大规模集成电路在制造工艺上的提高,A/D转换器在精度上可以做得很高,其微分非线性有了很大的改善;因此,在多道脉冲幅度分析器的设计时,选用高精度的12位A/D转换器AD7994,在实际工作中,采用“并道”的办法,每4道并作1道,则道宽非线性即可降低原来的1/4;这种方法尽可能地降低了由于ADC本身造成的非线性误差;。

ni multisim 频谱仪的用法使用NI Multisim软件中的频谱仪功能，可以辅助工程师进行电路的频率分析和信号测量。

在本文中，我们将逐步介绍如何使用Multisim中的频谱仪。

第一步：打开Multisim软件首先，在计算机上打开NI Multisim软件。

如果您尚未安装该软件，可以从官方网站或其他途径下载并安装。

第二步：绘制电路在Multisim中绘制您要分析的电路。

可以使用Multisim中的元件库从基本元件到复杂的集成电路等各种元件，将其拖放到工作区并连接起来。

确保电路已连接完成并且没有任何错误。

第三步：添加频谱仪在电路构建完成后，点击Multisim软件界面的“Instruments”选项卡。

在该选项卡下，您会看到一个“Frequency Analyzer”（频率分析器）的图标。

将该图标拖到您的工作区中。

第四步：设置频谱仪参数右键点击所添加的频谱仪，选择“Properties”（属性）选项。

在弹出窗口中，您可以设置频谱仪的各种参数，包括输入信号的类型、频率范围和分辨率等。

根据您的需要，设置适当的参数。

第五步：运行电路和频谱仪在设置完参数后，可以点击Multisim界面上的“Run”（运行）按钮，来运行电路并且开始频谱分析。

Multisim会模拟您的电路并将结果显示在频谱仪上。

第六步：分析频谱结果频谱仪将以图形的方式显示电路的频谱分析结果。

根据您设置的频率范围和分辨率，您可以看到不同频率下的功率谱密度。

您可以使用放大和缩小功能来查看图形的细节。

第七步：保存和导出结果在分析完频谱结果后，您可以选择保存结果。

Multisim提供了保存频谱结果的选项，并且可以以各种常见的文件格式导出，如CSV、Excel等。

需要注意的是，NI Multisim中的频谱仪功能是基于模拟电路分析的，适用于分析模拟信号和连续频率范围内的信号。

对于数字信号和离散频率范围内的信号，Multisim可能会有限制或不适用。

Multisim 逻辑分析仪的使用
相信很多使用Multisim逻辑分析仪的朋友都会遇到这样的问题，也就是逻辑分析仪的时序图始终是一条直线，如下图所示：
怎么解决这个问题呢？笔者以自己在实际电路中遇到的问题作为例子来解决。

笔者的电路图如下：
其中示波器能够正常显示波形，然而逻辑分析仪不能正常显示波形。

截图分别如下：
解决这个问题呢的具体步骤如下：
第一步：单击上图中的“Set…”（）按钮，弹出个名为“Clock Setup”对话框。

第二步：选择时钟的来源为“Internal”，并选择频率和外电路时钟的频率一致。

笔者这儿外电路的时钟的频率是“100Hz”，所以在这儿”Clock rate”也选择
100Hz。

第三歩：把“Threshold volt”使它的值位于示波器上高低点电平的读数之间。

笔者的示波器的高低电平的读数分别为“0.000V”和“2.333V”，我这儿就将
“Threshold volt”的值调为“2V”。

第四歩：单击“Accept”
如下图所示：
经过上面的配置后，逻辑分析仪就能正常的显示时序图了，截图如下：
相信朋友们都能明白笔者所说的吧。

享受仿真带来的乐趣吧！。