| 1 前言
隨著計(jì)算機(jī)、通信及儀器技術(shù)的不斷發(fā)展和相互結(jié)合,虛擬儀器也得到了進(jìn)一步發(fā)展。虛擬儀器將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合,把儀器廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能。用戶可根據(jù)測試的需要,自己設(shè)計(jì)所需要的儀器系統(tǒng),利用一種或多種功能的通用模塊,調(diào)用不同功能的軟件模塊,組成不同的儀器功能。在虛擬儀器中,計(jì)算機(jī)成為儀器的一部分,它的功能可以得到充分發(fā)揮。儀器的輸入、輸出、數(shù)據(jù)處理分析、結(jié)果顯示都能由計(jì)算機(jī)完成,它還能實(shí)現(xiàn)一些在普通儀器上無法實(shí)現(xiàn)的功能。虛擬儀器不但功能多樣、測量準(zhǔn)確,而且界面友好、操作簡易,它比物理實(shí)體式設(shè)備集成起來要方便、靈活。它是在通用計(jì)算機(jī)上加上一組軟件和硬件,使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí),就像是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用的傳統(tǒng)電子儀器。
虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義,用戶無法改變的模式。給用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想像力的空間。用戶可以根據(jù)自己的要求,設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng),滿足多種多樣的應(yīng)用需求。本文利用電子仿真軟件EWB作為工作平臺(tái)對(duì)儀器放大電路的性能指標(biāo)進(jìn)行了測試和分析。 2 EWB電子電路仿真軟件介紹
EWB的全稱是Electronics Workbench,它虛擬了一個(gè)可以對(duì)模、數(shù)電子電路進(jìn)行模擬仿真的工作平臺(tái),具有較完善的各種元器件模型庫和幾種常用的分析儀器。能進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì),并能對(duì)電子電路進(jìn)行較詳細(xì)的分析,包括靜、動(dòng)態(tài)分析、時(shí)域與頻域分析、噪聲分析、失真分析和器件的線性與非線性分析,還能進(jìn)行離散付里葉分析、零極點(diǎn)分析等多種高級(jí)分析。能將設(shè)計(jì)好的電路文件直接輸出到常用的一些電子電路排版軟件,如Protel等,排出印刷電路板圖,為電路設(shè)計(jì)提供方便。它也是一種電子技術(shù)模擬實(shí)際訓(xùn)練軟件,它可以完成實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的所有電子技術(shù)實(shí)驗(yàn),結(jié)果與物理式方法基本一致。它基于Windows操作系統(tǒng)。圖1是它的操作主界面。 
3 應(yīng)用實(shí)例
我們知道自然界的物理信號(hào)多為非電量,為了應(yīng)用電子技術(shù)對(duì)它進(jìn)行處理,需要采用相應(yīng)的器件將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這種將非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱之為換能器或傳感器。例如,將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的稱之為壓力傳感器,它常用壓力應(yīng)變電阻實(shí)現(xiàn)。由于傳感器的輸出信號(hào)通常很微弱,在精密測量和控制系統(tǒng)中需要采用高精度、高性能的放大器件對(duì)它進(jìn)行放大。 圖2電路是由三個(gè)高性能的運(yùn)放構(gòu)成的,它是一個(gè)儀器或數(shù)據(jù)放大器。它具有很高的共模抑制比、極高的輸入電阻、很低的輸出電阻和很大的增益,其增益可調(diào)范圍很大。圖2中激勵(lì)信號(hào)源ue、橋路電阻R3～R6和RP1構(gòu)成壓力傳感器的信號(hào)檢測電路,RP1為壓力應(yīng)變電阻,其電阻值隨所承受的壓力而變,通常正比于壓力。由圖2可以推導(dǎo)出輸出電壓uo為：uo=-RP1/96*（1+2000/100+RP2）*ue。輸出電壓uo正比于電阻RP1,隨壓力而變化。
3.1 測量輸出電壓uo與壓力應(yīng)變電阻RP1的關(guān)系
運(yùn)行電路,改變阻值RP1,利用示波器expand窗口的可移動(dòng)指針讀取輸出脈沖電壓uo的幅度Uom,并與理論值進(jìn)行比較(uE設(shè)置為10V、100Hz、占空比為10%,運(yùn)放選用OP07)。具體關(guān)系如表1所示。從表1可以看出理論值與測量值相差很小。
3.2 電路交流頻率分析
交流頻率分析,即分析電路的頻率特性。需要選定被分析的電路節(jié)點(diǎn),在分析時(shí),交流信號(hào)源、電容、電感等均處在交流模式,輸入信號(hào)也設(shè)定為正弦波形式。若把函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的其他信號(hào)作為輸入激勵(lì)信號(hào),在進(jìn)行交流頻率分析時(shí),會(huì)自動(dòng)把它作為正弦信號(hào)輸入。因此輸出響應(yīng)也是該電路交流頻率的函數(shù)。交流頻率分析步驟：“分析”欄（Analysis）中的“交流頻率”（AC Frequency）選項(xiàng),彈出一交流頻率分析設(shè)置對(duì)話框圖。在話框中,確定需分析的節(jié)點(diǎn)（這里選擇輸出點(diǎn)uo）、分析的起始頻率（FSTART）、掃描頻率（SWEEP TYPE）、終點(diǎn)頻率（FSTOP）、顯示點(diǎn)數(shù)（NUMBER POINTS）和縱向尺寸（VERTICAL SCALE）。按“仿真”（SIMULATE）鍵,即可顯示成幅頻特性波形。按Esc鍵,將停止仿真的運(yùn)行。交流分析的結(jié)果見圖3,圖3(a)為幅頻特性;圖3(b)為相頻特性。如果用波特圖儀連至電路的輸入端和被測節(jié)點(diǎn),同樣也可以獲得交流頻率特性,這里設(shè)置的是起始頻率為1Hz,截止頻率為10MHz,uo處的頻率特性。從圖3中可以看出放大器在頻率上幅頻特性和相頻特性穩(wěn)定,性能高。
3.3 電路瞬態(tài)分析
所謂瞬態(tài)分析（Transient Analysis）,是指對(duì)所選定的電路節(jié)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)。即觀察該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)顯示周期中每一時(shí)刻的電壓波形。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí),直流電源保持常數(shù),交流信號(hào)源隨著時(shí)間而改變,電容和電感都是能量儲(chǔ)存模式元件。在對(duì)選定的節(jié)點(diǎn)作瞬態(tài)分析時(shí),需根據(jù)“分析”欄（Analysis）對(duì)話框要求進(jìn)行選擇,一般可先對(duì)該節(jié)點(diǎn)作“直流工作點(diǎn)分析”(Calculate DC Operating point) , 這樣直流分析的結(jié)果就可以作為瞬態(tài)分析的初始條件。
瞬態(tài)分析步驟：在電子工作臺(tái)上創(chuàng)建需進(jìn)行分析的電路,選定“分析”欄中的“瞬態(tài)分析”(Transient)項(xiàng),彈出一對(duì)話框根據(jù)對(duì)話框的要求,設(shè)置參數(shù)。按“仿真”(Simulate) 鍵,即可在顯示圖獲得被分析節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)波形。按Esc鍵,將停止仿真的運(yùn)行。瞬態(tài)分析的結(jié)果,即電路中該節(jié)點(diǎn)的電壓波形圖。也可以使用示波器,把它連至需觀察的節(jié)點(diǎn)uo上,打開電源開關(guān),得到相同的波形。但采用瞬態(tài)分析方法,可以通過設(shè)置,更仔細(xì)地觀察到波形起始部分的變化情況。輸出的瞬態(tài)波形見圖4。
3.4 噪聲分析
噪聲分析用于檢測電子線路輸出信號(hào)的噪聲功率幅度,用于計(jì)算、分析電阻或晶體管的噪聲對(duì)電路影響。在分析時(shí),假定電路中各噪聲源是互不相關(guān)的,因此它們的數(shù)值可以分開各自計(jì)算�？偟脑肼暿歉髟肼曉谠摴�(jié)點(diǎn)的和（用有效值表示）。舉例來說,在噪聲分析對(duì)話框中把Ｖ1作為輸入源,把Ｎ1作為輸出節(jié)點(diǎn),則電路中的各噪聲源在Ｎ1處形成的輸出噪聲,等于該值除以Ｖ1至Ｎ1的增益獲得的等效輸入噪聲,再把它作為信號(hào)輸入一個(gè)假定沒有噪聲的電路,即獲得在Ｎ1點(diǎn)處的輸出噪聲。
噪聲分析步驟：
1）在電子工作臺(tái)上創(chuàng)建需進(jìn)行分析的電路,選定Analysis欄中的“噪聲（Noise）分析”項(xiàng),彈出對(duì)話框。
2) 確定被分析的電路節(jié)點(diǎn)、輸入噪聲源。
3) 根據(jù)對(duì)話框的要求,設(shè)置參數(shù)。
4) 按“仿真”（Simulate）鍵,即可在顯示圖獲得被分析節(jié)點(diǎn)的噪聲分析曲線。按Esc鍵,將停止仿真的運(yùn)行。
噪聲分析曲線見圖5,圖中信號(hào)源為100Hz、10V的正弦波,
3.5 最壞情況分析
最壞情況分析是一種統(tǒng)計(jì)分析方法。它可以使你觀察到在件參數(shù)變化時(shí),電路特性變化的最壞可能性。適合于對(duì)模擬電路、直流和小信號(hào)電路進(jìn)行分析。在電路分析時(shí),首先進(jìn)行標(biāo)稱值的分析,然后進(jìn)行交流或直流靈敏度分析,在計(jì)算出每個(gè)參數(shù)對(duì)輸出波形的靈敏度后,就可以獲得最壞情況分析的結(jié)果。分析波形如圖6所示。
最壞情況分析的步驟：
1) 確定需分析的電路和被分析的節(jié)點(diǎn)（這里選擇輸出點(diǎn)uo）。
2) 選擇“分析”項(xiàng)中的“最壞情況分析”欄。彈出最壞情況分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,會(huì)出現(xiàn)最壞情況分析選項(xiàng)表。
3) 修改參數(shù)設(shè)置對(duì)話框的內(nèi)容。
4) 按“Simulate”鍵開始運(yùn)行,按Esc鍵停止分析。
3.6 蒙特卡羅分析
蒙特卡羅分析（Monte Carlo Analysis）是一種統(tǒng)計(jì)分析,用于研究元件參數(shù)變化怎樣影響電路性能。它執(zhí)行幾次仿真,每次仿真時(shí),元件參數(shù)根據(jù)你在對(duì)話框中設(shè)置的參誤差和分布類型隨機(jī)地變化。用這樣分析的結(jié)果,預(yù)測電路在批量生產(chǎn)時(shí)的成品率和生產(chǎn)成本。在進(jìn)行分析時(shí),它首先進(jìn)行電路的標(biāo)稱數(shù)值分析。本分析方法提供了兩種分布類型：一種是均勻分布,元件值在其容差的范圍內(nèi)以相等的概率出現(xiàn),是一種線性的分布形式。另一種是正態(tài)高斯分布,分布概率P(x) 為
式中u :標(biāo)稱參數(shù)值; x：獨(dú)立變量;á：標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）值。
σ＝誤差百分比·標(biāo)稱值／１００。
蒙特卡羅方法分析步驟：
1) 分析電路和需分析的輸出節(jié)點(diǎn)。
2) 選擇“分析”項(xiàng)中“蒙特卡羅(Monte Carlo) ”分析欄,彈出蒙特卡羅分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。
3) 修改參數(shù)設(shè)置對(duì)話框的內(nèi)容。
4) 按“Simulate”鍵開始運(yùn)行、按Esc鍵停止分析。
若選擇在瞬態(tài)分析或交流頻率分析,可以通過設(shè)置的對(duì)話框觀察和修改分析的參數(shù)。在分析時(shí),數(shù)字器件將視為高阻接地。輸出Uo節(jié)點(diǎn)蒙特卡羅分析結(jié)果見圖7。
3.7 溫度掃描分析
采用溫度掃描分析,可以同時(shí)觀察到在不同溫度條件下的電路特性,相當(dāng)于該元件每次取不同的溫度數(shù)值進(jìn)行多次仿真。可以通過“溫度掃描分析”對(duì)話框,選擇被分析元件溫度的其始值、終值和增量值。在進(jìn)行其他分析的時(shí)候,電路的仿真溫度默認(rèn)設(shè)定為27℃。
溫度掃描分析步驟：
1) 確定電路被分析的節(jié)點(diǎn)和元件。
2) 選擇“分析”項(xiàng)中的“溫度掃描欄”。彈出溫度掃描參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。
3) 修改對(duì)話框中的分析參數(shù)設(shè)置。
4) 按“Simulate”鍵開始運(yùn)行,按Esc鍵停止分析。
在參數(shù)掃描選擇對(duì)話框中,若選擇瞬態(tài)分析或交流分析選項(xiàng),可以按“Set Transient Options”鍵。或按“Set AC Options”鍵,將打開另一個(gè)對(duì)話框,可以觀察和修改被分析的參數(shù)。
溫度掃描分析輸出的是各種曲線,采用線性掃描方式,或十進(jìn)制掃描方式,或者是倍頻方式。
本分析電路的工作溫度：從1℃上升到100℃。輸出uo節(jié)點(diǎn)波形如圖8所示。
4 結(jié)束語
現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,猶如滾滾長江東流水,沖擊著國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,也引起了測量儀器和測試技術(shù)的巨大變革。人們?cè)鵀闇y量儀器從模擬化、數(shù)字化到智能化的進(jìn)步而欣喜,也為自動(dòng)測試技術(shù)的日新月異的發(fā)展所鼓舞,當(dāng)今虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)又使得測量儀器進(jìn)步入了高科技的殿堂。虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于虛擬原技術(shù)的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室,虛擬電子工作臺(tái)屬于虛擬實(shí)驗(yàn)室中的一類。其基本思想是用軟件的方法虛擬電子與電工元器件,虛擬電子與電工儀器和儀表,即實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”、“軟件即元器件”。從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。由于電子虛擬平臺(tái)具有功能強(qiáng) 、儀器全、元器件全等優(yōu)點(diǎn),因而可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式無法達(dá)到的功能,如復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的邏輯分析,由于邏輯分析儀價(jià)格昂貴,使用復(fù)雜。在虛擬實(shí)驗(yàn)室里則是輕而易舉之事。從根本上克服了由于實(shí)驗(yàn)室的儀器儀表在品種、規(guī)格、數(shù)量上的限制,可以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證型、測試型、設(shè)計(jì)型、糾錯(cuò)型、創(chuàng)新型等多種的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。工程實(shí)用性強(qiáng)。 |
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