仿真运算

仿真运算（精选四篇）

仿真运算 篇1

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[1],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。

而Multisim[2]是加拿大IIT(Interactive Image Technologies)公司在EWB(Electronics Workbench)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。本文将对Multisim软件在虚拟系统中的应用进行研究,从而为虚拟电子系统的设计、电子产品的开发和电子系统工程提供了一种全新的手段和便捷的途径。

1相关工作

目前已有众多的学者对基于Multisim的系统设计与开发进行了研究,相继提出了一系列有指导意义的方法[3,4,5,6,7,8,9,10]。如文献[3]介绍Multisim应用软件系统及在实际电路设计与仿真中的应用。在此以实际成功的工程应用为例,阐述Multisim在电路设计与仿真实践中的运用与研究的亲身体验,并结合电路仿真过程中遇到的问题,提出解决问题的思路,给出具体解决问题的方法。文献[4]介绍了如何应用Multisim中Filler Wizard进行滤波器设计的基本概念和步骤。通过一个具体的实例来介绍了应用Muhisim中Filter Wizard设计滤波器的方法。文献[5]针对传统高频电子线路教学中存在的问题,提出在教学中引入计算仿真进行辅助分析与设计。阐述了Multisim的主要功能与特点,并利用Multisim对高频电路中的典型电路单调谐回路谐振放大器、环形调幅器进行了仿真,各项结果与理论推导相符,形象、生动的演示达到提高了学生学习兴趣的效果。文献[6]首先简要介绍了Multisim 8软件的特点,然后利用该软件对时差分放大电路进行仿真分析,研究其如何实现对差模信号放大和对共模信号抑制。仿真结果与理论分析计算一致,在课堂上使模拟电子技术教学更形象、灵活、更贴近工程实际,达到了帮助学生理解原理,更好地掌握所学的知识的目的。本文在前人研究工作的基础上,针对集成运算放大器的不同连接方式,通过仿真实验验证了其理论计算与仿真结果的一致性。

2Multisim软件的特点

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、傅里叶分析、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地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。

3集成放大器仿真分析

几乎所有的集成运算放大器都采用差分电路作为它的放大电路。集成运算电路最初仅仅被用来进行数学运算。但是现在意义上的运算放大器的概念,早己超越了数学运算的功能范畴。若它工作在线性区,则可以实现反相比例放大、反相求和、同相求和等电路时限运算功能;若工作在非线性区,可以组成诸如比较器、微积分电路及多种信号发生电路等。

集成运算放大器有三种连接方式:同相、反相和差分输入,本文实验将对于三种连接方式分别进行仿真。

(1) 同相比例运算仿真电路。打开Multisim软件,按照图1所示连接电路原理图。

设置虚拟信号发生器的信号为1 kHz,2 V正弦波信号,打开仿真开关,如图2所示调节虚拟示波器的参数设置,并分别观察虚拟示波器波形图。

不断改变输入电压Vi的大小,并根据虚拟示波器读数指针所在位置,读出Vt的示数,记录,并将其与理论计算值Vm进行比较,如表1所示。

从表1可以看到,仿真结果与理论结果基本相同。另外,反相比例运算的仿真与此类似,限于篇幅,不再详述。

(2) 差分放大电路仿真。

运行Multisim,在绘图编辑器中选择信号源、直流电源、三极管、电阻,创建双端输入双端输出差分放大电路如图3所示,标出电路中的结点编号。

该次仿真中,采用虚拟直流电压源和虚拟晶体管,差分输入信号采用一对峰值为5 mV、频率为1 kHz的虚拟正弦波信号源。设置虚拟晶体管的模型参数BF=150,RB=300 Ω。

加差模信号ui1,ui2分别接入电路的左、右输入端,电阻R1作为输出负载,则电路的接法属于双入双出。将四通道示波器XSCl的3个通道分别接在信号源ui1和负载R1两端,如图4所示。运行并双击示波器图标XSCl,调整各通道显示比例,得差分放大电路的输入/输出波形如图5所示。

采用示波器观察和测量输入电压和输出电压值,差模信号单边电压V⧋-3.597 mV(5 mV/DIV),单边输出交流幅值约为170.124 mV(500 mV/DIV),所以双入双出差分放大电路的差模放大倍数$\Delta =-\frac{170.124}{3.597}=-47$,与单管共射的放大倍数相同,即差分放大电路对差模信号具有很强的放大能力。仿真结果与题中理论计算结果相同。

另外,在图4中,将信号源ui2的方向反过来,即加上共模信号,运行并双击示波器图标XSCl,调整A,B通道显示比例。可得如图5所示波形。

由图5波形可知。在峰-峰14 mV(有效值为5 mV)的共模信号作用下。输出的峰值极小,峰-峰值为13 mV,因此单边共模放大倍数小于1。且ui1和ui2大小相等,极性相同。所以,在参数对称且双端输出时,共模放大倍数等于0,说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制能力。显然,仿真结果与理论分析结果一致。

4仿真常见问题及其解决方法

由于设计者要求是各种各样,经常会遇到找不到仿真元件的情况,Multisim虽然存有成千上万个仿真元件,但仍然不能满足用户的所有要求,缺一个或缺几个都会影响仿真运行。下面介绍几种缺仿真元件的解决方法:

(1) 用性能相近的元器件代替,但会影响其准确性。

(2) 通过EDAparts.com网站与Free Trade zone Design center联系,从其标称超过120万的元器件中查找并购买所需器件模型,还需对图形。引脚进行处理。

(3) 利用Muhisim提供的元件编辑工具,对现有元件模型进行编辑修改,不失为一个有效可行的方法。

(4) 若自创建一个元件,需要设计者熟悉SPice语言,熟悉元件的各种电器参数等条件,且设计过程非常复杂。因此,作者建议设计者在遇到此类情况时,尽量避免创建元件。

另外,设计者在运行仿真时,常会出现仿真失败提示,常见错误及纠正方法如下:

(1) 节点未找到或节点错误。根据失败提示,设计者须对仿真原理图分析,找出缺失节点处,进行纠正。

(2) 设计规则冲突。设计者设计的仿真原理图与设置的电气规则不符,通过对仿真原理图和电气规则的分析,根据实际情况,选择对仿真原理图或对电气规则进行修改。

(3) 若出现“No convergence in Dc analysis”信息提示,可从分析选项中找到Miscellaneous options菜单,选中ITLl,将其默认值100增加到500～1 000。

(4) 若出现“Time step too small”或者“No convergence in Ttransint analysis”,可从分析选项中找到Miscellaneous options菜单,选中ITIA,将其默认值10增加到15～20。

5结语

本文应用Muhisim软件对集成运算放大器进行了仿真分析,结果表明仿真与理论分析和计算结果一致。另外,还针对仿真过程中可能存在的各种问题,提出了一系列的解决方案,从而为该领域的研究者提供了参考。

以后的工作包括以下两个方面:一是进一步研究基于Multisim的门电路以及差分电路的仿真分析;二是基于Multisim进行虚拟电子实验的设计,并将其应用到实践教学中。

仿真运算 篇2

理想集成运放的主要性能指标有以下几种。

1) 开环电压放大倍数趋于无穷大;

2) 输入电阻趋于无穷大;

3) 输出电阻趋于0。

集成运算放大器的应用是模拟电子技术这门课教学中的一大难点, 同学们对集成运放的应用电路基本特性、功能、电路构成、工作原理以及分析计算普遍感到难以理解, 因此我们在教学中应用multisim仿真软件对这几个问题进行仿真实验, 效果很好。

首先是集成运放加法电路的仿真实验:

集成运放加法电路的仿真实验

1) 按图连好仿真电路。

2) 接入Us1为0.5v、1KHz的正弦波信号, 不接Us2。

3) 保持步骤2) , 用示波器观察输入, 输出电压波形, 并记录各种波形。

结论:输出电压幅值与输入电压幅值相差2倍, 即电压放大倍数与Rf/R1值基本相等且输出电压与输入电压相位相反。

4) 保持步骤3) , 将Rf改为2KΩ, 用示波器观察输入输出电压波形, 并记录各种波形。

结论:输出电压幅值与输入电压幅值相差0.2倍, 即电压放大倍数与Rf/R1值相差很大。

5) 保持步骤3) , 接入Us1和Us2, 均为0.2v, 1KHz的正弦波信号, 用示波器观察输出电压和输入电压波形并记录各种波。

结论:该电路能实现, 输入电压相加[Uo= (Us1+Us2) ], 且输出电压相对于输入电压是负极性的。

然后我们进行了集成运放波形发生器仿真实验

实验二:集成运放波形发生器仿真实验

1) 连好仿真图。

2) 接入Us为1v, 1KHz的方波, 用示波器观察输出, 输入电压波形, 画出各种波形并记录:

a.输入电压波形为方波而输出电压波形为三角波, 因此该电路能实现积分运算。

b.输入电压波形, 画出各种波形并记录:输入电压波形为三角波而输出电压波形为正弦波, 因此该电路能实现积分运算。

c.输入电压波形, 画出各种波形并记录:输入电压波形为正弦波, 而输出电压波形为正弦波, 因此该电路不能实现积分运算。

仿真运算 篇3

集成运算放大器在电子线路中有着非常广泛地应用, 是一种能实现高增益放大功能的集成器件。不仅可以实现线性运算电路的功能, 而且还能构成滞回电压比较器、波形发生器等非线性电路, 几乎涉及模拟信号处理的各个领域。无论在模拟电路的理论教学还是在实验教学中, 集成运放都是十分重要的知识点。传统的实验教学采用示波器、函数发生器、万用表等实验设备对实验电路进行数据的观察和测量, 然后计算性能指标参数, 其结果与理论值有较大偏差, 效果不太理想。传统实验教学经常受实验条件的限制, 不仅实验种类数目有限, 而且因设备陈旧, 实验效果并不理想。为了配合电子技术基础课程教学改革, 加固学生理论知识、提高动手能力、培养学生创新精神, 因此有必要将仿真软件引入课堂及实验教学中。

随着计算机与微电子技术的发展, EDA (Electronic Design Automation, 电子设计自动化技术) 领域已成为电子技术发展的主体[1,2]。EDA是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统, 它在教学、科研、产品设计与制造等方面发挥着巨大的作用。

EWB (Electronics Workbench, 电子工作平台) 是加拿大Interactive Image Technologies公司 (简称IIT公司) 20世纪80年代推出的一种在电子技术界广泛应用的优秀计算机仿真设计软件[3,4], 被誉为“计算机里的电子实验室”。

Multisim 10是IIT公司于2007年推出EWB的最新版本。在Windows环境下, Multisim 10软件有一个完整的集成化设计环境, 它将原理图的创建、电路的测试分析、结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中[5,6]。本文应用Multisim 10对集成运算放大器进行仿真分析, 可以形象、迅速地测试电路的性能指标参数。

2、仿真分析

2.1 同相比例电路

在Multisim 10中建立如图1所示同相比例电路, 同相输入端加2V、100Hz的交流信号, 启动仿真开关进行仿真, 可得输入端、输出端的波形如图2所示, 从波形看, 输入、输出同相位, 符合比例运算规律, 调整屏幕上的幅值测试线, 可显示该处输入信号幅值1.998V, 输出信号幅值5.995V, 输出输入比例近似为3。理论分析得输出电压。

2.2 反相比例加法电路

在Multisim 10中建立如图3所示反相比例加法电路, 反相输入端分别加5V、1k Hz和3V、1k Hz的交流信号, 启动仿真开关进行仿真, 可得输入端、输出端的波形如图4所示, 从波形看, 输入、输出反相位, 调整屏幕上的幅值测试线, 可知读数。理论分析得输出电压。

2.3 电压跟随器

在Multisim 10中建立如图5所示电压跟随器电路, 同相输入端加5V、1k Hz的交流信号, 启动仿真开关进行仿真, 可得输入端、输出端的波形如图6所示, 从波形看, 调整输出端负载电阻R1, 其输出波形和幅值始终和输入保持完全一致, 电压跟随器可以保持较强的带负载能力和负载适应能力, 大大减少了检测误差。调整屏幕上的幅值测试线, 可知读数, 理论分析得输出电压。电压跟随器的输入电压与输出电压大小和相位一样, 将输出端对地电位器调到最大, 调整屏幕上的幅值测试线, 如图7所示, 可知读数, 理论分析得输出电压。

2.4 积分电路

在Multisim 10中建立如图8所示积分电路, 反相输入端加幅值5V、频率1k Hz, 占空比50%的方波信号, 启动仿真开关进行仿真, 可得输入端、输出端的波形如图9所示, 从波形看, 输出为三角波, 调整屏幕上的幅值测试线, 可知读数。

2.5 微分电路

在Multisim 10中建立如图10所示微分电路, 反相输入端加幅值5V、频率1k Hz, 占空比50%的方波信号, 启动仿真开关进行仿真, 可得输入端、输出端的波形如图11所示, 从波形看, 输入、输出满足反相微分运算关系, 调整屏幕上的幅值测试线, 可知读数。

3、结语

通过Multisim 10的实例仿真, 可以直观地分析电路结构, 快速地得到实验结果。加深学生对电路原理、元器件参数及电路性能的了解, 使抽象的理论形象化, 使复杂的电路分析变得生动形象、真实可信, 让学生在课堂上就能感受到实验才具有的测试效果, 克服了传统理论教学的不足, 有利于培养学生的逻辑思维、工程观点和分析解决问题的能力, 方便快捷的仿真优化了教学效果。教学实践证明, 在电子技术的理论课教学中应用Multisim 10软件进行仿真分析是可行的。

参考文献

[1]路而红.虚拟电子实验室[M].北京:人民邮电出版社, 2006.

[2]付家才.电子实验与实践[M].北京:高等教育出版社, 2005.

[3]朱运利.EDA技术应用[M].北京:电子工业出版社, 2004.

[4]连桂仁.EWB在电子技术基础教学中的应用[J].福建师范大学学报:自然科学版, 2004, 20 (4) :104-107.

[5]李哲英, 骆丽, 李金平.模拟电子线路分析与Multisim仿真[M].北京:机械工业出版社, 2008.

仿真运算 篇4

1 基于FPGA浮点运算器的FFT

1.1 浮点的IEEE标准格式

设计采用单精度浮点运算,IEEE定义的二进制浮点格式为32位。结构表示如图1所示。

将32位分为3部分[3]:31位为符号位S,S为0时表示正数,为1时表示负数;30～23为指数E,是一个0～255之间的八位二进制数,其实际的指数是E-127,所表示的指数范围是2-127～2128;22～0表示尾数F,小数点前还隐藏了一位‘1’,单精度尾数可表示最大数为2(23+1)=16 777 216。因为 107<16 777 216<108,所以单精度浮点数的有效位数是7位,即浮点数的精度为10-6。为方便FFT的运算,文中采用原码存储。

1.2 基2的DIT-FFT算法

在蝶形运算中采用复数形式表示数据[4]。对于一个2点的蝶形运算,输入复数为A=x+jX,B=y+jY;经A′=A+BW${}_{{\rm N}}^k$,B′=A-BW${}_{{\rm N}}^k$运算,输出复数A′=(x+ycosϕ+Ysinϕ)+j(X+Ycosϕ-ysinϕ),B′=[x-(ycosϕ+Ysinϕ)]+j[X-(Ycosϕ-ysinϕ)]。

设计主要针对8点FFT进行设计,8点FFT算法的原理图如图2所示。

整个FFT过程中共有三级蝶形运算,每级蝶形运算有4个蝶形运算单元。在数据输入时按照自然顺序输入,最后倒序输出[5]。

1.3 FFT处理器

FFT处理器主要对数据进行蝶形运算及数据存取。设计采用基2蝶形运算器,包括存储器ROM和RAM,控制器及地址产生单元等。其FFT的结构模型如图3所示。

1.3.1 蝶形处理单元

蝶形处理单元是整个FFT的中心环节,采用复数表示,将实部与虚部分别存储,利用基2的DIT-FFT算法实现运算。

蝶形运算过程包括一个乘法运算BW${}_{{\rm N}}^k$和一个加/减法运算A±BW${}_{{\rm N}}^k$。数据的读取由时钟单元的信号来控制:当时钟为c0时,读取y;c1时,读取Y;c2时,读取x;c3时,读取X。经蝶形运算后得到x′=x+(ycosϕ+Ysinϕ),X′=X+(Ycosϕ-ysinϕ),y′=x-(ycosϕ+Ysinϕ),Y′=X-(Ycosϕ-ysinϕ)然后将数据写入同样地址的RAM中,至此,2点的蝶形运算单元完成。在蝶形运算共需一个乘法器和两个加法器。

(1)浮点乘法器。

乘法过程对浮点数的符号位、指数以及尾数分别进行计算,符号异或,指数相加再减127,尾数加入隐含的‘1’后再进行乘法运算,如果尾数相乘的结果有溢出则指数加1尾数取前23位,若无溢出,则取最高位后的23位。但若输入的数据有一个是0,则输出为0。

temp:=temp1 * temp2;--尾数相乘

if(temp(47)='1') then 数据的规格化

exp_mult:=exp_mult+1;

r_temp:=sign & exp_mult(7 downto 0) & temp(46 downto 24);

mult_out<=r_temp(31 downto 0);

elsif(temp(47)='0') then

r_temp:=sign & exp_mult(7 downto 0) & mant_temp(45 downto 23);

mult_out<=r_temp(31 downto 0);

end if;

图5的波形为两浮点数的乘法运算,输入以16进制表示,分别将不同类型的数据搭配进行测试,结果表示仿真正确。

(2)浮点加法器。

加法运算是将两数指数比较,存储较大的指数,将指数小的尾数移位,再进行加减操作,规格化后输出。加法过程由多个模块组合实现,包括比较模块,右移模块、加/减法模块、前导零检测模块、左移模块和结果整合输出模块。

比较模块主要对指数操作,判断指数的大小,较大的指数暂作结果的指数,较小指数的数做移位操作,其阶差为移位量。以下程序采用for循环来实现移位,S(5 downto 0)存储阶差,最大值是32。

for j in 1 to 5 generate

SIG10(j)<=INTSIG(j-1);

SIG01(j)<=ZEROS(2**(j-1)-1 downto 0) & INTSIG(j-1)(N-1 downto 2**(j-1));

INTSIG(j)<=SIG10(j) when S(j-1)='0' else SIG01(j);

然后尾数经加减运算后规格化并输出,为了以标准浮点格式输出,规格化需要前导零检测。

然后进行移位操作,最后将规格化后的数据整合输出,就完成两个浮点数的加法运算。

图6的波形为两个输入浮点数的加法运算数据,以16进制表示。上述数据分别将不同类型的数据搭配运算,数据表明该仿真结果正确。

1.3.2 地址产生单元

地址产生单元主要是跟踪FFT运算进度,进而更好地调配存储单元,及控制各相关模块的运行。

(1)通过计数器来跟踪记录FFT计算的状况。

为方便对存储单元操作,采用计数器来记录FFT的计算情况。8点的FFT,每个单元包括4个数据,所以用一个4位计数器Butterfly表示全部的运算状态。一个2位级计数器Stage表示三级蝶形单元。当Butterfly计数为4时,级计数器Stage加1,当Stage计数为3时,表示FFT的计算操作完成。当Butterfly计数为15时,输入输出信号置‘1’,反馈回控制器输入输出操作完成。

(2)ROM读取的地址。

旋转因子W${}_{{\rm N}}^k$存储在ROM中,由实部cos(2×k×π/8)和虚部sin(2×k×π/8)两部分组成,读取由时钟单元的信号控制。由图2可以看出每一级参加蝶形运算的旋转因子不同。

(3)RAM数据地址。

在整个地址单元中,分配RAM中数据的地址是重点,8点蝶形运算共需16个存储单元,数据地址的产生遵循一定规则。例如,Butterfly的信号为“a3a2a1a0”,则x,y的地址产生规则如表1所示。

数据的读取靠时钟信号来控制。

1.4 FFT仿真结果分析

图7中输入8点数据为 [-1,1,2,-0.5,-3,-1,2,0]。仿真结果经转换后,用10进制表示的最后结果为[0,3.76775-1.06065i,-8-0.5i,0.23225-1.06065i,0.5,0.23225+1.06065i,-8+0.5i,3.76775+1.06065i]。Matlab仿真后结果为[-0.5000,3.7678-1.0607i,-0.8000-0.5000i,0.2322-1.0607i,0.5000,0.2322+1.0607i,-0.8000+0.5000i,3.7678+1.0607i]两结果很接近,误差较小,仿真结果正确。

2 结束语

文中在分析了FFT算法后,描述了运算的蝶形单元,地址生成单元及FFT的实现过程。从实际设计出发,完成了基于FPGA的单精度浮点运算器的FFT设计,精度达到10-6。其输出结果与Matlab仿真结果相近,达到了利用FPGA实现FFT的目的。

参考文献

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].2版.北京:清华大学出版社,2001.

[2]马强.基于FPGA的快速傅里叶变换实现[D].南京:南京理工大学,2005.

[3]IEEE Orgnzation.IEEE Standard for Binary Floating-PointArithmetic,ANSI/IEEE Std 754-1985[S].USA:IEEEOrgnzation,1985.

[4]BAESE M U.数字信号处理的FPGA实现[M].2版.刘凌,译.北京:清华大学出版社,2006.