1、第 3 章 MATLAB 的仿真测量仪器 3.1 概述3.2 电压测量3.3 时间域的测量仪器3.4 频率域的测量仪器3.5 其他显示仪器3.6 误码表3.1 概述 测量仪器是学习、研究开发、检测验证过程中进行试验所必需的设备。对于从事工程技术工作的人，没有测量仪器是不可想象的。近年来，电子科学技术突飞猛进，相当多的工程技术人员因为种种原因，难以拥有与技术进步同步的测量仪器来进行科学研究及试验工作，而应用MATLAB 的 Simulink 仿真试验方法可以建立仿真的试验环境。在掌握正确的方法后，可以直接应用 MATLAB 工具箱中的测量仪器或者构建满足工作需要的测量仪器，以便提高仿真试验工作的
2、效率，使仿真试验更加丰富多彩。 特别需要说明的是，虽然仿真有许多的用途和优点，但是仿真不是万能的，不能完全取代实际的试验。应用 MATLAB 软件的 M 文件的编程作图功能，同样能够实现将数据文件表示为时间域、频率域的可视化的图形。本章主要介绍应用 Simulink 来构建和使用测量仪器的方法。 3.2 电压测量3.2.1 指针式电压表指针式仪表将输入的量值用图形化的指针与相应的刻度表示出来。可以通过参数设置对话框来设置仪表的外观、量程、刻度、颜色、字型等。图 3-1 所示为指针式电压表仿真的模型。指针式仪表因为指针摆动有惯性，通常适用于直流参数测量。作为演示，不妨接入一个正弦波发生器。将它的
3、信号频率设置为 0.1Hz，电压表的指示范围为 0100V，采用了一个取绝对值的模块 Abs（取自 SimulinkMathOperations ） ，它也可以看成是全波整流器。指针式电压表的指针随着超低频的脉动直流电压而摆动。表 3-1 显示了SineWave(正弦信号发生器 )的主要参数。图 3-1 指针式电压表仿真框图表 3-1 SineWave(正弦信号发生器)的主要参数图 3-2 所示是指针式电压表当激活标签 Ticks 时的参数设置对话框。激活不同的标签，可以弹出不同的对话框。在不同的对话框里，根据对话框的提示，即可完成参数的设置。如果没有重新设置，就沿用原来的缺省设置。表 3-2
4、 所示是 ActiveXControl 属性对话框中各种标签的列表。表3-3 所示是 LowerLeft(指针式电压表 )的主要参数。图 3-2 指针式电压表参数设置对话框（激活标签 Ticks）表 3-2 ActiveXControl 属性对话框的标签内容表 3-3 LowerLeft（指针式电压表）的主要参数3.2.2 数字式电压表图 3-3 显示了数字式电压表仿真的模型。由于使用了超低频的正弦信号发生器作信号源（与上例相同） ，在演示时可以看清数字的变化而又不至于太快。仿真模型里采用了两种数码显示器，大的数码显示器选自 Dials&GaugesBlockset（拨号盘和仪表板）工具箱，小
5、的数码显示器就选自Simulink（仿真）的 Sinks（信宿）模块库。表 3-4 显示了 Scope(示波器) 的主要参数。表 3-5 显示了 Display(显示器 )的主要参数。图 3-3 数字式电压表仿真框图表 3-4 Scope（示波器）的主要参数表 3-5 Display(显示器) 的主要参数图 3-3 中右上角的设备是通用数字发光二极管。图 3-4 显示了数字式电压表参数设置对话框。激活不同的标签，可以弹出不同的对话框。该对话框中有 General（通用） 、Library（库） 、Background（背景）等标签。 图 3-4 数字式电压表参数设置对话框表 3-6 显示了 G
6、enericNumericLED（通用数字发光二极管）的主要参数。通过参数设置可以得到不同的背景色，发光二极管的开启、关闭的颜色，笔画的宽度、间距，显示器的位数等。 表 3-6 GenericNumericLED（通用数字发光二极管）的主要参数3.3 时间域的测量仪器3.3.1 示波器无论是通信还是信号与系统分析，电子工程领域绝大多数信号是时间的函数，系统的时间域特性也用冲激响应来描述。从事信号与系统的分析和试验离不开时间域的测量仪器。 让人们最先想到的时间域的测量仪器就是普通示波器和数字存储示波器。普通示波器最基本的构成如下：(1)Y（信号）通道设有宽带（直流到高频）放大器和与之相应的步进宽
7、带衰减器，以及直流电压调节的位移旋钮。它们共同作用可以实现将小到毫伏量级、大到几百伏量级的电压信号不失真地放大，或者衰减到若干伏量级的大小，与示波管的偏转灵敏度相适应，使得屏幕上显示便于观测和分析的图像，得到合适的大小与位置的时域电波形。 (2) X（扫描）单元设有精密锯齿波产生器( 亦称为时基系统)、大动态范围的线性放大器和相应的触发同步电路。应用它们可将被观测信号用不同档次的时间坐标展开，当信号与扫描同步时，显示的波形是稳定的。数字存储示波器通过采样、模/数变换器将连续的模拟信号转换为数字信号，以便存储和显示。用计算机仿真的示波器应用的是数字技术，具备脉冲示波器、同步示波器的功能，可以观测
8、单次现象。正确地设置参数后，可以保持结束时的波形。数字信号存储也有许多方法。图 3-5 所示是一个用 Scope（示波器）显示 1GHz 正弦波的例子（不是任何实验室中都有可以观察 1GHz 正弦波的示波器） 。在仿真条件下正确应用 Scope 模块，可以观察任意频率的信号。图 3-5 1 GHz 正弦波显示仿真系统框图用鼠标左键双击仿真图 3-5 中的 Scope（示波器）模块，弹出 TimeScope 显示窗，如图 3-6 所示。用鼠标左键单击图 3-6 显示窗上部工具栏中左起第二个图标，弹出的对话框如图 3-7 所示，主要参数设置见表 3-7。表 3-8 给出了仿真的起始和结束时间。 图
9、 3-6 1 GHz 正弦波的示波器显示 图 3-7 示波器显示对话框 1表 3-7 Scope（示波器）的主要参数表 3-8 SimulationParameters 仿真参数的设置关键参数有两个：（1)Timerange（时间范围） 。它决定了时窗的宽度，相当于示波器的扫描速度开关。频率愈高的信号，自然需要短的时窗（高的扫描速度） ，信号关于时间快速变化的特性才能得以展现。本例中，1GHz 的正弦信号一个周期为 110-9 s，在 MATLAB 中表示为 T=1e-9，时间范围设为 5e-9（即 510-9s） ，刚好显示五个完整的正弦波。（2)Sampletime（取样时间） 。通常为了
10、还原出正弦波形，一个周期内至少有 20 个取样点。本例取 2e-11s，也就是一个周期用 50 个点来描述。采样点的多少，以能够不失真地再现信号的波形为原则。 表 3-7 中的带“*”的参数设置，是在图 3-8 所示的对话框里进行的（将鼠标置于图 3-6 所示的显示窗内，单击右键即可弹出该对话框） 。对话框设置的参数决定了信号在显示窗中的垂直方向的位置和大小，其作用类似于示波器 Y 衰减开关和 Y 位移电位器。写上 Title（标题）以后看起来会一目了然。图 3-8 示波器显示对话框 2下面是示波器另一应用的例子多踪示波器。图 3-9 所示是一个用示波器显示七踪信号的仿真系统。图 3-10 所
11、示是示波器显示的波形。实践中的多踪示波器多数为双踪，四踪的已经非常少见。MATLAB 仿真中可以构建任意多踪示波器（视需要而定） 。本例中使用一个七踪信号源（伯努利信号发生器） ，参数设置参看表 3-9。该随机数发生器可以设定 Probability ofazero（零出现的概率） ，本例设为 0.5，即 1 和 0 出现的概率都是 50%。一个由 0.5 组成的 1 行 7 列的矢量，以及表示 7 个不同的种子 InitialSeed 的另一个 1 行 7列的矢量，共同决定了发生器产生 7 列不同的二进制随机数，它们的 0 出现的概率都是 50%。在较复杂的电路仿真时也可以用 7 个不同的信
12、号送入示波器观察。 图 3-9 七踪信号显示在同一示波器上的仿真框图 图 3-10 七踪信号显示在同一示波器上其次是有一个 Constant（常数矢量） ，它是一个 7 列的行矢量，在运行时叠加在信号发生器输出的 7 列数据流上，譬如第 7 列信号的每一个值加上了 3.6，相当于直流电平增加了 3.6V，在示波器上波形垂直平移了 3.6V（等效于调节了示波器的垂直位移旋钮） 。应用这样的方法可以将每一列信号移动到希望摆放的位置。示波器参数设置时，应考虑到多踪信号与常数矢量叠加后，在垂直方向占有较大的空间，Y 量程的上、下限 Y max、 Y min 设置范围不够大时，有的信号就看不见了（在屏幕
13、外） 。表 3-9表 3-11 分别给出了信号源、常数、示波器的主要参数。表 3-12 显示了图 3-9 所示仿真系统的 Simulationparameters（仿真时间参数）的设置。 表 3-9 BernoulliRandomBinaryGenerat（伯努利二进制随机数产生器）的主要参数表 3-10 Constant（常数）的主要参数表 3-11 Scope（示波器）的主要参数表 3-12 SimulationParameters 仿真参数的设置3.3.2 X-Y 记录仪X-Y 记录仪是水平 X、垂直 Y 方向都有输入信号端子，与 X、Y 输入端相连的放大器分别连接到显示屏的水平与垂直偏
14、转板的示波器。最早的应用是观察李沙育图形，用标准信号与待测信号形成的李沙育图形来进行频率的测量。数字频率计出现后，已经很少有人用这种方法测频率，但是 X-Y 记录仪在电子工程中仍然有许多应用。 图 3-11 所示是一个用 X-Y 记录仪显示李沙育图形的例子，分别用两个不同频率的正弦信号源接在 X-Y 记录仪的水平与垂直的输入端子上，X-Y 记录仪(XYGraph) 上面的端口是 X 输入端，下面的端口是 Y 输入端。由于接 Y 端子（下）的信号频率是接 X 端子（上）的信号频率的四倍，李沙育图形显示了一个横向排列的四个封闭图形，如图 3-12 所示。如果 X 信号频率是 Y 信号频率的四倍，图
15、 3-12 显示的图形将旋转 90，成为纵向排列的四个封闭图形。表 3-13表 3-15 分别显示了 X、Y 输入信号的两个信号发生器、X-Y 记录仪、仿真时间的参数设置。 图 3-11 X-Y 记录仪应用框图 图 3-12 X-Y 记录仪显示的李沙育图形表 3-13 SignalGenerator（信号发生器）的主要参数表 3-14 X-Y 记录仪(XYGraph)的主要参数表 3-15 仿真参数设置3.3.3 逻辑分析仪逻辑分析仪是数字电路开发、研究试验中不可缺少的仪器。它具有类似多踪示波器的特征，所不同的是：逻辑分析仪显示的是代表二进制码元的波形或者状态，信号数据流不停地进入存储器，一旦工作（存储）停止时，存储器中保留的是最后进入的，等于存储器容量的数据信息。十多路甚至几十路的码元序列以相同的时间坐标排列在屏幕上，可以沿时间轴滚动来观察。同时，可以设定特定的触发字，以此作为停止存储的参考时间坐标。 图 3-13 所示是一个逻辑分析仪仿真试验的例子，其显示部分是一个前面介绍过的多踪示波器（右下部分） 。这里介绍一个新的示波器。它是出自 DSPBlockset（数字信号处理模块）的信宿Sinks2。信号源是前面介绍过的 7 路伯努利二进制随机数产生器。
