基于multisim的波形发生器设计.doc

毕 业 设 计（论 文）题 目：基于Multisim的波形发生器设计院 系：电气信息工程系专 业：电气自动化班 级：一班姓 名：学 号：2006063011指导教师：王现彬2009年5月22日- 3 -石家庄学院毕业论文基于Multisim的波形发生器设计 【摘要】在Multisim软件环境下,以波形发生器为例,本文介绍了一种针对单片微机仪表的设计手段,这种设计手段采用的Multisim软件可以把原理图绘制、程序编制,实验仿真和印刷电路板图的生成集成在一个设计环境中,不但可以做到边设计边实验,修改调试方便,而且实验采用的是虚拟元器件和测量仪器,实验成本低,实验速度快。按此设计手段,本文设计了波形发生器硬件电路,编制了产生三角波和正弦波的程序,仿真运行的结果达到了设计预期要求。通过该例说明,采用Multisim软件设计单片微机仪表的手段是方便有效的。【关键词】 单片微机; Multisim软件; 波形发生器; 设计与仿真【Abstract】Based on Multisim, the paper takes signal generator for example to introduce a method of designing instrument with SCM. Multisim software can integrate some design tools into one single environment, such as plotting, programming, experimentation simulating and circuit board drawing. In the design environment of Multisim,it is convenient to experiment while designing, and easy to modify and debug. Moreover, it costs less as using virtual components and apparatus, but works faster. Based on this, a signal generator is designed. It can produce trigonal wave and sine wave. This example shows it is applicable to design instrument with SCM by Multisim.【Key Words】SCM; Multisim; signal generator; design and simulation目录1 引言42Multisim软件的介绍42.1Multisim的概叙42.2Multisim的主要功能及特点52.3Multisim软件应用的意义53硬件电路设计63.1电路图的建立63.2应用数学公式63.3电路图的分析74软件设计和仿真结果74.1进入源程序界面的过程74.2三角波电压输出程序74.3正弦波电压输出程序8结论10参考文献11致谢121引言Multisim是一种全功能电子电路仿真软件，它可以对模拟、数字、模拟/数字混合电路、射频电路以及部分微机接口电路进行仿真，能克服实验室条件下对传统电子设计工作的限制。该软件为用户提供了一个集成化的虚拟设计实验环境，建立电路、仿真分析和结果输出在集成界面中可以全部完成，电路元器件、测量仪器和仿真结果与实际情况非常接近，满足使用者从参数到产品的设计要求123。利用Multisim软件对单片微机仪表的设计比较传统设计方法具有明显的优点，传统单片微机设计软件，例如Keil c51，仅能对单片机本身进行仿真，不能对其外围接口电路进行软件仿真，实验结果必须通过通用硬件仪器测量获得，实验成功的电路还需电子电路设计软件绘制成原理图，生成网络表，并制成印刷电路板图。而Multisim软件可把这几者在计算机虚拟平台上实现集成。利用Multisim软件设计可以使设计与实验同步，边设计边实验，修改调试方便；仿真实验中不消耗实际的元器件和测试仪器，实验成本低，实验速度快；仿真实验成功的电路可以直接在产品中使用 45。2 Multisim软件的介绍2.1 Multisim的概叙通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为借助高级电路分析, 理解基本设计特征通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。电子通信类其它常用的仿真软件：System view-数字通信系统的仿真Proteus单片机及ARM仿真LabVIEW虚拟仪器原理及仿真Multisim 2001 使用简介Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本书中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给出几个应用实例。软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。2.2 Multisim的主要功能及特点下面以波形发生器为例，介绍Multisim软件用于单片微机仪表的软硬件设计和仿真实验的方法。Multisim是加拿大IIT(InteractiveImageTechnologies)公司在EWB(ElectronicsWork bench)基础上推出的电子电路仿真设计软件，是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。它具有如下特点：1)具有直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。2)具有一个庞大的元气件库。具备如信号源、基本元气件、模拟集成电路、数字集成电路、指示部件、控制部件等各种元气件3)具有强大的仿真能力：既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。4)强大的分析功能。提供了14种仿真分析方法，如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、参数扫描分析、零极点分析、传递函数分析、温度扫描分析、后处理分析等。5)强大的虚拟仪器功能。如示波器、万用表、瓦特计、扫描仪、失真仪、网络分析仪、逻辑转换仪、字信号发生器等。6)VHDL/Verilog设计输入和仿真。Multisim软件将VHDL/Verilog的设计和仿真包含进去(选件)，使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普通电路融为一体仿真的瓶颈。7)可以与电路板设计软件无缝连接。Multisim软件的设计结果可以方便的导出到电路板设计软件中进行电路板走线。8)远程控制功能。Multisim软件支持远程控制功能，不仅可以将Multisim软件的界面共享给其他人，使得其他人在自己的计算机上看到控制者的操作情况，而且可以将控制权交给其他人，让其操作该软件，这样可以实现交互式教学，是进行电子线路教学的理想工具。2.3 Multisim软件应用的意义目前随着国际上电子工业和计算机技术的飞速发展，电子产品已与计算机系统紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。以定量估算和电路试验为基础的电路设计方法已经无法适应当前激烈竞争的市场。电子设计自动化(EDA)技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动生成，其中包括印制板的温度分布和电磁兼容性测试，代表着现代电子系统设计的技术潮流。Multisim是加拿大IIT(InteractiveImageTechnologies)公司在EWB(ElectronicsWork bench)基础上推出的电子电路仿真设计软件，是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。用multisim软件设计数字电路，如同在实验室面包板上搭接电路，且不受元器件种类、数量和测试仪器的限制。Multisim高品质的性能、强大的分析能力使设计者轻松愉快、卓有成效地完成设计任务。3 硬件电路设计3.1电路图的建立 基于单片微机的波形发生器电路主体是8051单片机与数/模转换器接口电路，编写不同的信号输出程序，经数/模转换器电路，产生各种不同的波形模拟电压信号。在Multisim 10软件环境下，绘制的可编程波形发生器电路如下：图1 可编程波形发生器电路3.2应用数学公式 图1中元器件IDAC8是8位的电流型数模转换器，它的调用过程是：在元件工具栏中点击模数混合元件库（Mixed）按钮，弹出选择元件对话框，在对话框中选择ADCDAC元件族从中找到IDAC8。通过总线BUS1，单片机芯片8051的P1口提供IDAC8芯片的8位数字量 ，根据电流型数模转换器的工作原理，其输出电流 与正参考输入电流 的关系是： 由于 ，并且Vref 连接+5V， Rref和Rout 均采用 ， 有：若单片机输出的数字量为11111111B，则代入上式得出的模拟电压为4.98V，同理若数字量为00000001B，则模拟电压为0.02V。由此可知，该电路的电压转换范围为0 4.98V，电压转换精度为0.02V。 3.3电路图的分析 由于数模转换器输出的模拟电压并不连续，故为了使输出的波形平滑，于是在数模转换器的输出端加一个10pF的滤波电容，以消除数模转换过程中产生的高频谐波。另外，若数模转换器IDAC8直接输出，由于其输出阻抗较高，容易造成负载效应，所以在其输出端加一个电压跟随器，可得到较好的输出结果。电压跟随器的核心元件运放741是从模拟元件库Analog的运放族OPAMP中调出的，图1中出现的电阻和电容元件是从基本元件库Basic的电阻族RESISTOR和电容族CAPACITOR中分别找到，并放置在原理图中。从仪表工具栏中选出双通道示波器（Oscilloscope）连接到波形发生器电路的输出端，用来观察仿真结果。4软件设计和仿真结果4.1进入源程序界面的过程 在Multisim 10软件中，进入源程序界面的过程如下：从MCU器件库的805x族中选出8051单片机芯片，会立即弹出MCU器件创建向导窗口，按向导窗口的提示先输入MCU工作页名称，接着输入项目名称，选择编程语言，本文选用汇编语言编程，最后输入源程序名称，完成后在原理图选项旁出现源程序选项，点击源程序选项可以从原理图窗口切换到汇编窗口，源程序就在汇编窗口编写，该窗口的下方是编译信息栏，显示源程序的编译结果信息。编译通过会给出“0 errors, 0 - warnings”的提示。如果编译出错，会在编译信息栏中显示错误位置和错误原因，以便于修正源程序。在图1硬件电路支持下，可编写不同的程序产生各种不同的波形模拟信号电压。 4.2三角波电压输出程序 编程思路：通过单片机8051的累加器A的值由零不断地增大，同时赋给其P1口来实现三角波的前半周期；当累加器A达到最大值FFH时，再以同速度不断减小至00H，并赋给P1口来实现三角波的后半周期。对上述过程利用循环结构重复执行，就可产生连续的三角波。源程序如下：$MoD51 ; This includes 8051 definitions for the metalink assemblerORG 0000HLJMP MAIN1ORG 1000HMAIN1 : MOV A, #00H ; 初始化累加器ALOOP : MOV P1, A ; 向P1口输出A值NOP ; 延时INC A ; A值加1递增CJNE A, #0FFH, LOOP ; 检查A是否到最大值LOOP1:MOV P1, A ; 向P1口输出A值NOP ; 延时，改变三角波的周期DEC A ; A值减1递减CJNE A, #00H, LOOP1 ; 检查A是否到最小值LJMP LOOP ; 重复执行END单击菜单栏中的simulate选项，选择Run，源程序编译成机器码，若编译通过就能加载到单片微机硬件电路中进行仿真，双击电气原理图上的双通道示波器可得到仿真结果，如图2所示。图2 输出三角波波4.3正弦波电压输出程序编程思路：建立一个周期正弦波180个电压点数据表格，每个点相位相差2度，把这180个电压点，逐个赋給单片机芯片P1口，就可产生一个周期的正弦波。重复循环输出表格中的数据，就可产生连续的正弦波。以下程序产生的正弦波的直流偏置和最大幅值都是IDAC数模转换器芯片满量程电压的一半。$MoD51 ; This includes 8051 definitions for the metalink assemblerORG 0000HLJMP MAIN2ORG 2000HMAIN2: MOV DPTR , #Table ；把正弦波数据表格的首地址赋给DPTR LOOP: CLR A ；初始化累加器AMOVC A, A+DPTR ；把表格的正弦数据通过累加器A逐个送到P1口CJNE A, #130, LOOP1 ；是否与表格最后一个数据相同？AJMP MAIN ；当完成表格数据输出，则重复执行LOOP1:MOV P1, AINC DPTRDELAY:MOV R6, #3 ；延时，改变正弦波的周期DJNZ R6, $AJMP LOOPTable: DB 128,132,137,141,146,150,154,159,163,167 ；正弦波数据表格DB 171,176, 50,47,43,40,37,34,31,28,25,DB 88,93,97,101,106,110,114,119,123,128,130运行上述程序，仿真结果如图3所示。图3输出正弦波波形图2和图3中示波器的显示模式是Y/T模式，即横坐标为时间，纵坐标为幅值，横坐标每格为1ms，纵坐标每格为2V，观测仿真结果与设计要求相同。对于同一硬件电路，通过该软件的编程窗口，修改程序内容，信号发生器可以产生所需的其它波形，如方波、锯齿波和梯形波，修改程序参数，还可以改变信号的幅值和频率结论本文在Multisim软件平台上设计的基于单片微机的信号发生器，根据仿真结果证明硬件电路设计和软件编程是正确的，能达到预期的设计目的。通过信号发生器实例可知，Multisim软件应用于单片微机仪表的设计，可以有效地提高设计的质量和效率，这种设计手段具有一定的推广价值一种针对单片微机仪表的设计手段,这种设计手段采用的Multisim软件可以把原理图绘制、程序编制,实验仿真和印刷电路板图的生成集成在一个设计环境中,不但可以做到边设计边实验,修改调试方便,而且实验采用的是虚拟元器件和测量仪器,实验成本低,实验速度快。按此设计手段,本文设计了波形发生器硬件电路,编制了产生三角波和正弦波的程序,仿真运行的结果达到了设计预期要求。参考文献1 黄智伟等. 基于Multisim 2001的电子电路计算机仿真设计与分析M.北京:电子工业出版社,2004 105-130页2 从宏寿 程卫群 李绍铭 Multisim 8仿真与应用实例开发M.北京: 清华大学出版社,2007 7-27页3 石嘉顺. 基于Multisim环境下的电路设计与仿真J.计算机仿真,2007年24卷12期 306-308页4 李刚 林凌 王焱 新概念单片机教程M. 天津: 天津大学出版社, 2004 9-26页5 陈晓莉 张俊涛 KEIL C51单片机仿真器的设计J.微计算机信息,2006年22卷5期 25-29页6 徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计M. 北京:北京航空航天大学出版社, 1996 353-369页7 段玉生 李钊年. 在Multisim中创建任意函数信号源J.电气电子教学学报,2003年25卷5期50-53页8 鲁昌华 冯晓星. 基于LabVIEW的SPWM信号发生器设计J.国外电子测量技术,2007年26卷6期42-44页致谢感谢我的指导老师王现彬亲切关怀和悉心指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，田老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。三年来，他不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起度过愉快的大学三年生活的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢您。- 11 -石家庄学院毕业论文13