Основы построения функциональных блоков радиотехнических устройств в проектах Multisim

В. Т. Корниенко

Основы построения
функциональных блоков
радиотехнических устрой ств
в проектах Multisim

Учебное пособие

Москва 
Берлин 
2020 

УДК 621.396.4 
ББК 32.844 
К67 

Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Северо-Кавказского федерального университета Макаров А.М., 
кандидат физико-математических наук, доцент Южного федерального университета Федоров В.М. 

Корниенко В.Т.  

   Основы построения функциональных блоков радиотехнических 
устройств в  проектах Multisim: учебное пособие / В.Т.Корниенко.— 
Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2020. — 105 с.

ISBN 978-5-4475-9731-3

Рассмотрены вопросы построения функциональных блоков устройств приема и обработки сигналов при реализации в аналоговом и 
цифровом исполнении с примерами их создания в проектах Multisim. 

Предназначено для студентов радиотехнических специальностей 
для изучения разделов дисциплин «Основы приема и обработки сигналов», «Введение в микросхемотехнику радиоэлектронных устройств» и 
«Основы моделирования цепей и сигналов».

Табл. 5. Ил. 76. Библиогр.: 16 назв. 

ISBN 978-5-4475-9731-3 

УДК 621.396.4 
ББК 32.844 
К 67 

ISBN 978-5-4475-9733-7                              © Корниенко В. Т. , текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020 

К67

ВВЕДЕНИЕ 
Предлагаемое учебное пособие необходимо для усвоения 
материала, преподаваемого по дисциплинам «Основы приема и 
обработки сигналов», «Введение в микросхемотехнику радиоэлектронных устройств» и «Основы моделирования цепей и 
сигналов». В основу пособия положены основы построения 
аналоговых и цифровых устройств приема и обработки сигналов радиоэлектронных систем. 
Для успешного усвоения разделов дисциплины необходимы знания, полученные студентами при изучении предшествовавших дисциплин, касающихся высшей математики, информатики, теории электросвязи, цифровых устройств. Материал 
пособия будет полезен при подготовке выпускных квалификационных работ на академическую степень бакалавра наук при 
проведении эксперимента в виде имитационного моделирования процессов и устройств обработки сигналов.  
Цель предлагаемого учебного пособия: 
–
обеспечить студентов навыками ориентации в специфических особенностях различных видов аналоговых и цифровых блоков устройств обработки сигналов; 
–
обеспечить студентов профессиональным владением
основами построения и расчета характеристик радиотехнических устройств средствами Multisim. 
В результате изучения материалов учебного пособия студенты должны: 
•
освоить принципы построения аналоговых и цифровых
блоков устройств обработки сигналов и их основные функции; 
•
освоить навыки проектирования аналоговых и цифровых устройств формирования сигналов с помощью средств 
Multisim. 
При решении задач анализа рассмотренных радиоэлектронных устройств определяются основные показатели эффективности их функционирования, которые рассмотрены в отдельных подразделах. Для проведения исследований используются персональный компьютер и среда графического схемотехнического моделирования Multisim фирмы National Instruments. 
В первом разделе изложены принципы построения и анализа аналоговых блоков устройств приема сигналов. Во втором 

разделе рассмотрены основы построения цифровых устройств 
обработки сигналов и методики их проектирования с использованием Multisim. 
Известно много учебников и пособий по основам работы в 
Multisim и решения профессиональных задач с использованием 
этого средства проектирования [1-7]. В данном учебном пособии используется много известных результатов, взятых за основу из многих источников, а также приведены оригинальные 
решения, применяемые в учебном процессе. 
Для успешного освоения преподаваемых дисциплин в 
учебное пособие включен набор практических работ для выполнения в среде Multisim. Использование компьютерных технологий позволяет внедрять возможности, недоступные для 
некоторых лабораторий: отсутствие реального оборудования, 
ограничения на физическую реализацию схем, неограниченное 
количество используемых элементов и приборов – все это стирает традиционные  препятствия при проектировании электрических схем. В отличие от ограничений, связанных с проектированием и реализацией электрических схем,  появляющихся в 
лаборатории, работа со схемами в среде Multisim значительно 
проще и позволяет расширять границы научных исследований, 
строя лабораторный эксперимент в  виде виртуального конструктора.  
Среда Multisim позволяет проводить любые по сложности 
эксперименты, легко заменять компоненты цепи, изменять их 
значения, прогнозировать и отображать полученные результаты. Спроектированные схемы могут быть быстро и легко протестированы и изменены для определения их производительности, а в дальнейшем легко реализованы физически.  
Взаимосвязь виртуальных и реальных приборов создает 
многофункциональную платформу для продвижения нового 
принципа проектирования, реализации поиска неисправностей 
электрических схем. В среде, где ошибки и неточности минимальны, поиск неисправностей очень прост.  
В качестве вводного знакомства с инструментарием, планируемом в использовании при проведении виртуальных экспериментов, во вводной части рассмотрены характеристики и 
принцип действия анализатора спектра в радиочастотных системах и основы спектрального анализа сигналов [4,5], а также 

особенности работы с логическим преобразователем, необходимым при построении цифровых схем. 
 
Введение в спектральный анализ 
Анализатор спектра является одним из самых необходимым инструментов исследования систем коммуникации. К 
примеру, осциллограф позволяет исследовать сигналы переменного тока, а также их взаимное влияние друг на друга. Осциллограф позволяет измерять разность фаз сигналов,  их период и  амплитуду, а также и позволяет оценить форму сигнала. Однако, изучение зависимости амплитуды от времени не 
дает полного представления о компонентах сигнала. Анализатор спектра исследует сигнал в частотной области, разделяя 
его на отдельные компоненты на различных частотах, и позволяет проводить спектральный анализ сигналов.   
 
Используемые компоненты и оборудование 
• 
Источник напряжения переменного тока (AC Voltage 
Source) 
• 
Осциллограф (Oscilloscope) 
• 
Спектральный анализатор (Spectrum Analyzer) 
 
Порядок выполнения работы 
1. Собрать схему, изображенную на рис. 1 [4]. 
 

 
Рис. 1. Схема эксперимента 
2. Двойным щелчком мыши войти в меню источника напряжения переменного тока. Выбрать закладку Value (значе

ние) и установить амплитуду (Voltage Pk) = 10В, смещение 
(Voltage Offset) = 0В и частоту (Frequency) = 1 кГц  и нажать 
OK. 
3. Двойным щелчком мыши войти в меню Oscilloscope 
(осциллограф). Установить масштаб временной оси 1 мс/дел и 
масштаб амплитуд (Amplitude) 5 В/Дел. Запустить процесс моделирования и пронаблюдать сигнал частотой 1кГц на графике 
зависимости амплитуды от времени. Остановить моделирование. 
4. Двойным щелчком мыши войти в меню анализатора 
спектра. Выбрать Span (интервал времени) в вкладке Span Control  и Lin  в вкладке Amplitude. Во вкладке Frequency (частота), 
ввести Start (начальную) и End (конечную) частоты. Так как 
исследуемая частота равна 1кГц, ввести Start = 0 Гц и End = 2 
кГц, эти параметры частоты зададут начало и конец окна наблюдения таким образом, что значение частоты 1 кГц окажется 
в центре окна. Нажать Enter для ввода значений. Такой способ 
установки параметров анализатора спектра называется Frequency Control method (метод контроля частоты). 
5. Запустить процесс моделирования. Поместить курсор в 
центр пика отображаемого спектра. Удостовериться, что значения амплитуды и частоты соответствуют параметрам сигнала, установленным в источнике сигнала  переменного напряжения (AC Voltage Source). 
6. Остановить моделирование. Двойным щелчком мыши 
войти в источник напряжения переменного тока и выбрать Voltage Amplitude = 10В и Frequency = 10 кГц. 
7. Так как текущая исследуемая частота равна 10 кГц, установить параметр  Center frequency (центральную частоту)  в 
10 кГц. Установить Span (диапазон измерений) 10 кГц, таким 
образом, получим общий диапазон в 10 кГц. Нажать Enter. 
Значения начальной и конечной частоты вычисляются автоматически. Этот способ называется Span method (метод диапазонов). Оба продемонстрированных метода могут быть использованы только раздельно. 
8. Запустить процесс моделирования и переместить маркер сначала в левую часть окна, затем в правую, обращая внимание, что частоты начала и конца соответствуют Start и End 
параметрам. Для получения значения параметра Span (диапазон), необходимо вычесть начальное значение частоты из ко

нечного.  
Результат моделирования отображается в окне, вызываемом двойным щелчком мыши по виртуальному прибору – осциллографу или спектроанализатору. В Multisim можно получить дуальные результаты   либо непосредственно в окне виртуального прибора, либо в окне, вызываемом из пунктов меню 
моделирования. Для получения предполагаемого результата, 
приведенного на рис.2, нужно воспользоваться командами из 
пункта меню моделирования (см. рис.3). Для чего необходимо 
вначале настроить частотные параметры и выбрать переменную для отображения результатов моделирования, а затем нажать кнопку Simulate, как показано на рис.4 и 5. 

 
Рис. 2 Амплитудный спектр сигнала частотой 1кГц 

 
 
Рис.3. Выбор команды из пунктов меню моделирования 

Рис.4. Настройка  
частотных параметров  
спектроанализатора 

 
Рис.5. Выбор переменной моделирования и запуск  
на выполнение 
 
Спектральное представление сигналов 
Теоретически синусоидальные сигналы представляются 
одной спектральной линией  на графике зависимости амплитуды от частоты. При искажении исходного сигнала появляются 
дополнительные гармоники, отличные от основной. Математически складывая мощность каждой гармоники с мощностью 
основной гармоники, можно восстановить весь исходный сигнал.  
Другие формы сигнала, такие как, прямоугольная, треугольная и пилообразная содержат в себе бесконечное количество гармоник, сложение которых, дает форму сигнала, его амплитуду и частоту. Сколько бы ни было параметров у сигнала, 
спектральный анализ является основным средством для изучения отдельных его компонентов. Так как амплитуда гармоник 
высоких порядков во много раз меньше амплитуды несущей 
частоты, то вычисление гармоник, как правило, происходит до 
5-го порядка. 
 
Используемые компоненты и оборудование 
• 
Резистор: 1 кОм 
• 
Функциональный генератор(Function Generator) 
• 
Осциллограф (Oscilloscope) 
• 
Ваттметр (Wattmeter) 
• 
Анализатор спектра (Spectrum Analyzer) 

Порядок выполнения работы. 
1. Собрать схему, изображенную на рис.6 [4]. Подсоединить «генератор функций», осциллограф, ваттметр и анализатор спектра. При подключении ваттметра клеммы, обозначенные V, подключаются параллельно с нагрузкой, а клеммы, обозначенные I, – последовательно с нагрузкой. 
2. Дважды щелкнув на осциллографе для настройки его 
параметров, необходимо установить масштаб Time Base (Временная ось) равным 50 µs/Div, значение Channel 1 (Канал 1) 
равным 10 V/Div. Выбрать режим автоматического запуска 
(Auto Triggering) и режим пропускания постоянной составляющей сигнала (DC coupling). 
3. Дважды щелкнув на «генераторе функций» для настройки его параметров необходимо выбрать Frequency (Частота) = 10 кГц, Duty Cycle (Производительность) = 50%, Amplitude (Амплитуда) = 10 V, Offset = 0, Square Wave (Прямоугольная форма). 
4. Двойным щелчком на анализаторе спектра открыть его 
дисплей, выделить Set Span, установить Start (Начало) = 10k, 
End (Конец) = 100k и Amplitude (Амплитуда) = Lin, после чего 
нажать Enter. 
5. Запустить процесс моделирования, затем два раза 
щелкнув на осциллографе необходимо измерить значение амплитуды сигнала. 

 
Рис. 6. Схема эксперимента 

6. Дважды щелкнув на анализаторе спектра нужно сдвинуть вертикальный маркер в левую часть окна и измерить частоту и амплитуду несущего сигнала с частотой 10 кГц. Эти 
значения будут отображаться в левом нижнем углу окна. Рассчитать общую мощность в мВт. 
7. Вычислить предполагаемое среднеквадратическое напряжение и предполагаемую мощность. Проделать такие же 
измерения и вычисления для 3-ей и 5-ой гармоник. Увеличить 
мощность 3-ей и 5-ой гармоник и вычислить суммарную мощность. Сверить полученные результаты, нажав два раза на 
Wattmeter.  
8. Два раза нажать на Function Generator (Генератор 
функций) и выбрать Triangle Waveform (Треугольная форма 
сигнала). 
9. Понаблюдать за экраном в окне Oscilloscope (Осциллограф). 
10. Ещё раз дважды нажав на Function Generator необходимо выставить производительность 80% и пронаблюдать за 
дисплеемOscilloscope (Осциллограф) отметив изменения формы сигнала. 
11. Два раза щелкнув на Spectrum Analyzer (Спектральный 
Анализатор) и понаблюдать за спектром сигнала пилообразной 
формы. 
Предполагаемый результат изображен на рис.7. 
 

 
Рис. 7. Частотный спектр сигнала прямоугольной формы 
частотой 10 кГц