Multisim电路仿真与实验：包含连续时间系统的模拟、周期信号频谱分析、组合逻辑电路：竞争冒险、数字锁
文章目录
- Multisim电路仿真与实验：包含连续时间系统的模拟、周期信号频谱分析、组合逻辑电路：竞争冒险、数字锁
- 连续时间系统的模拟
- 实验目的
- 实验仪器
- 实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
- 实验电路图
- 实验结果
- 周期信号频谱分析
- 实验目的
- 实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
- 实验电路图
- 组合逻辑电路
- 竞争冒险
- 实验目的
- 实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
- 实验电路图
- 实验结果
- 数字锁
- 实验目的
- 实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
- 实验电路图
- 实验结果
- 实验小结（总）
连续时间系统的模拟
实验目的
-
学习如何根据给定的连续系统的传输函数，用基本运算单元组成模拟装置。
-
掌握将Multisim软件用于系统模拟的基本方法。
实验仪器
硬件：无
软件：Multisim14.0（注：本次三个实验的实验仪器均同上，故后文不赘述）
实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
实验电路图
题目要求：
- 直接测量图所示电路的幅频特性、相频特性，并测出相应的数据。测点自定，但半功率点和谐振频率必须在其中。
RC低通电路
二阶带通电路
table 1 直接测量结果
| 测量项目 | 最大值 | 最小值 | 半功率点 | 谐振频率/Hz | 相位/° |
|---|---|---|---|---|---|
| RC低通 | 1 | 0 | 706.98m | 59.581 | -52.562 |
| 二阶带通 | 992.41m (6.761kHz) | 0 (-7.09°) | 707.13m | 6.446k | 44.9 |
| 706.48m | 7.021k | -44.5 |
- 根据预习时计算出的传输函数H(s)分别搭建两个电路的系统模拟测试电路，分别测量幅频特性、相频特性，并按直接测量时所选的测点进行测量。
RC低通电路
二阶带通电路
table 2 间接测量结果
| 测量项目 | 最大值 | 最小值 | 半功率点 | 谐振频率/Hz | 相位/° |
|---|---|---|---|---|---|
| RC低通 | 1 | 0 | 706.98m | 59.581 | -52.56 |
| 二阶带通 | 992.41m (6.76kHz) | 0 (-5.49°) | 707.92m | 6.455k | 45.00 |
| 706.99m | 7.028k | -44.44 |
实验结果
Figure 13 手绘波形图
周期信号频谱分析
实验目的
-
了解和掌握周期信号频谱分析的基本概念。
-
掌握用软件进行频谱分析的基本方法。
-
理解周期信号时域参数变化对其谐波分量的影响及变化趋势。
实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
实验电路图
Table 3 直流分量和各谐波分量的幅度
| 波形占空比 | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz | f/kHz |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
| 矩形波10% | -4.02 | 1.96 | 1.86 | 1.71 | 1.51 | 1.27 | 1.01 | 0.74 | 0.47 | 0.23 | 0.01 |
| 矩形波30% | -2.01 | 5.15 | 3.03 | 0.66 | 0.93 | 1.27 | 0.63 | 0.28 | 0.76 | 0.57 | 0 |
| 矩形波50% | 0 | 6.37 | 0 | 2.12 | 0 | 1.27 | 0 | 0.91 | 0 | 0.71 | 0 |
| 正弦波50% | 0 | 4.90 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 三角波50% | 0 | 4.10 | 0 | 0.45 | 0 | 0.16 | 0 | 0.08 | 0 | 0.05 | 0 |
| 三角波70% | 0 | 3.91 | 1.15 | 0.17 | 0.18 | 0.19 | 0.08 | 0.03 | 0.07 | 0.04 | 0 |
| 三角波90% | 0 | 3.48 | 1.65 | 1.01 | 0.67 | 0.45 | 0.30 | 0.19 | 0.10 | 0.04 | 0 |
| n = | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
矩形波和正弦波的谱线图：
思考题
-
大多数非正弦周期信号的幅度谱包含若干条谱线，但其主要能量集中在谱线幅度包络线的第一个零点以内，这段包络线称为主峰，其频率范围称为有效频带宽度。
-
矩形周期信号的直流、基波和各谐波分量的幅值与矩形脉冲幅度成正比。
-
在有效频带宽度内，矩形周期信号谐波幅度按抽样函数规律收敛，三角形周期信号谐波幅度按抽样函数的平方规律收敛。
-
矩形周期信号的幅度和周期保持不变，随着占空比的增加（即脉宽加大），主峰高度越高，主峰宽度越窄，各谱线间隔越窄，主峰包含的谱线数量越少，有效频带宽度越窄，主峰内高次谐波分量越少。
-
理想的正弦波的幅度谱包含1条谱线，证明其只有基频分量，而无谐波分量，如果能测出谐波分量，说明该正弦波已有失真。
组合逻辑电路
竞争冒险
实验目的
-
掌握判断逻辑电路冒险的方法。
-
了解消除险象的方法。
-
用实验观察逻辑冒险的现象。
实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
1.静态逻辑险象
输入信号所经路径不同而引起的冒险现象，按短暂尖峰极性的不同，可将冒险分为“0-1-0”型险象（也称“1”型）和“1-0-1”型险象（也称“0”型）
2.逻辑险象的判断。
（1）当逻辑函数中出现下列结果时将出现逻辑现象： ，存在“1-0-1”型险象； ，存在“0-1-0”型险象。
（2）卡诺图若出现“相切”的卡诺圈，且相切部分未被另外卡诺圈包围，即可断定存在逻辑冒险。
3. 险象的消除方法。险象对数字系统带来的危害，视它的负载电路性质而定。 如果负载是组合电路或惯性大的仪表，则影响不大；如果负载是时序电路，而且毛刺的宽度等于或大于后级的响应时间，则会使时序电路中的触发器错误动作。显然该情况下险象是有害的。险象的消除有以下几种方法。
(1)修改逻辑设计。对逻辑险象来说，可在原函数中加上多余项或乘上多余因 子(对或与表达式),也就是在卡诺图中，用一个多余圈将两个相切的卡诺圈连接起来。或将卡诺图重圈，避免相切。其目的是使原函数 不再可能化为 或 的形式，从而消除逻辑现象。可以证明，添加多余项后，原来的险象消除了，但这样却增加了设备量。
(2)加滤波电路。在输出波形要求不高的情况下，可在输出端加一个 积分器(低通滤波器)或直接加滤波电容，适当选取 值将毛刺压抑在电路正常工作的允许范围内，从而消除毛刺对后级工作的影响。
(3)加取样脉冲。险象仅发生在输入信号变化的瞬间。因此，在组合电路输出门的一个输入端加入一个取样脉冲，就可以有效地消除任何险象。取样脉冲的出现时间一定要与输入信号的变化时间错开。这样，通过取样后就能正确反映组合电路的输出值。但必须指出，加取样脉冲后，输出将不是电位信号，而是脉冲信号。
P55 6有一逻辑电路,如图
Figure 20 竞争冒险的逻辑电路
（1） 试用示波器来判断是否存在逻辑险象、险象类型及险象出现的条件。
（2） 在输出端加接滤波电容，观察毛刺的变化情况。
（3） 换用修改逻辑设计的方法来消除所出现的险象，并通过实验验证。
实验电路图
实验结果
- 试用示波器来判断是否存在逻辑险象、现象类型及险象出现的条件
Figure 19 用来观测图
- 存在逻辑险象
- 是“0”型冒险
- 条件：当B=C=1，A从1跳变到0时，出现“1-0-1”型险象
-
在输出端加接滤波电容，观察毛刺的变化情况
Figure 20 发现冒险消除
- 换用修改逻辑设计的方法来消除所出现的险象，并通过实验验证
Figure 21 增加多余项BC
Figure 22 手绘波形图
数字锁
实验目的
-
掌握组合逻辑电路的实际应用。
-
掌握组合逻辑电路的设计方法。
-
用实验验证所设计电路的逻辑功能。
-
掌握基本门多余端的处理方法。
实验原理（验证性实验）/设计过程（设计性实验）
组合逻辑电路是指纯由小、中、大规模集成门构成的电路，电路中没有记忆元器件。
组合逻辑电路的设计：
（1） 正确将需求抽象为逻辑关系。
（2） 列出真值表。
（3） 得到逻辑表达式。根据电气要求选用合理元器件。
（4） 根据制图标准，正确绘制逻辑电路图。
P55 5用与非门设计一数字锁逻辑电路，该锁有三个按钮A、B、C，当A、B、C同时按下，或A、B同时按下，或只有A或B按下时开锁，若不符合上述条件应发出报警。
数字锁设计过程
设A、B、C分别为“1”时表示按键按下，为“0”时表示按键没按下。F1表示开锁信息，为“1”表示开锁，为“0”表示没开锁。F2表示报警信息，为“1”表示报警，为“0”表示没报警。
（1）将逻辑函数转换为真值表：
分析：题目隐含真值表第一行的信息，即不按键时既不报警也不开锁。
Table 4 真值表
| A | B | C | F1 | F2 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
（2）依据真值表绘制卡诺图：
 |  |
|---|---|
 |  |
（3）根据表达式绘制逻辑电路图：
Figure 23 绘制数字锁逻辑电路
实验电路图
Figure 24 数字锁仿真电路图
实验结果
实验小结（总）
了解并学会使用Multisim元件库中的“加法器”（Voltage Summer）“积分器”（Voltage Integrator）“比例放大器”(Voltage Gain Block)搭建模拟系统。
结合仿真图与信号与系统分析所学可知：
（1） 周期矩形脉冲信号的频谱有如下特点。
离散性：指频谱由不连续的谱线组成。这种频谱称为不连续频谱或离散频谱。
谐波性：指频谱的每条谱线只能出现在基波频率的整数倍频率上，频谱中不可能存在频率为基波频率非整数倍的分量。
收敛性：指谱线的高度即各次谐波的振幅随n趋向于无穷大的总趋势衰减到零，频谱具有收敛性。
虽然是从周期矩形脉冲信号的频谱提取出的特点，但这三个特点代表了所有周期信号频谱的普遍特性。
对于周期信号的频带宽度：
理论上讲，周期信号的谐波分量是无限多的，但在实际工作中没有必要也不可能考虑无限多的谐波分量。因为谐波分量振幅具有收敛性，信号的能量主要集中在低频分量中，故只需考虑频率较低的一部分谐波分量。对于某个信号，从零频率开始到需要考虑的最高频率范围称为信号占有的频带宽度，简称带宽。
当脉冲宽度无限趋小时，频带宽度将无限趋大，此时信号能量就不再集中在低频分量中，而均匀分布在零到无限大的整个频段。事实上，一切脉冲信号的脉冲宽度与频带宽度是呈反比的。这反映了信号时间特性及频率特性间的关系。
掌握了组合电路竞争与冒险中冒险的分类与冒险的消除办法等。
