课题一 信号取样与恢复系统设计指导书2012

课题一信号取样和恢复系统设计
一、本课题的目的
本课题主要研究信号取样和恢复的软硬件实现方法以及相关滤波器的设计及使用。

通过本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：
1．了解模拟信号取样和恢复电路的原理及实现方法。

2．深入理解信号频谱和信号滤波的概念，掌握模拟低通滤波器的设计和实现方法。

3．通过对各种条件下的信号取样和恢复仿真及实测波形的深入分析，加深对时域取样定理的理解。

4．掌握利用Multisim软件进行模拟电路设计及仿真的方法。

5．了解信号取样和恢复硬件电路系统的设计、制作、调试过程及步骤。

6．培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。

二、课题任务
本课题采用软件仿真和硬件电路设计制作相结合的方式，对信号取样和恢复的原理、实现方法进行深入研究分析，并完成信号取样和恢复电路的制作和调试。

主要任务包括以下几个方面：
1. 信号取样和恢复实验电路原理图设计和功能仿真。

2. 信号恢复理想低通滤波器的参数调节及其频率响应的理论和仿真分析。

3. 借助Multisim软件，分别在有混叠和无混叠的条件下，对输入信号、取样脉冲序列、取样信号、恢复信号的时域波形、频谱进行仿真，并结合所学课程相关知识，对所得结果进行深入分析。

4. 研究取样脉冲序列的频率、脉宽对取样及恢复信号的影响。

5. 信号取样和恢复实验电路板的制作、调试和测试，并和仿真结果进行比较分析。

三、主要设备和软件
1．信号和系统实验箱一台，含同步信号源（或信号发生器）
2. PC机一台
3．Multisim软件一套，10.0以上版本
4．Matlab软件一套，7.0以上版本
5．信号取样和恢复电路PCB板及相关元器件，一套
6. 示波器1台
7. 焊接工具1套
8. 万用表1块
四、设计内容、步骤和要求
1. 信号取样和恢复电路设计和验证
（1）根据信号和线性系统课程硬件实验需要，设计信号取样和恢复实验电路的原理图。

（2）采用Multisim软件对所设计电路进行功能验证。

2. 恢复滤波器的设计和仿真
（1）根据所设计的电路原理图，分析恢复滤波器的系统模型，包括时域、频域和复频域模型，
模型中的部分参数（电阻、电容等）作为待定参数，列出各种模型的数学表达式。

（2）通过调整恢复滤波器中的待定参数，分别设计出截止频率为1kHz、8kHz的低通滤波器。

要求所设计滤波器的通带纹波不大于10%，并且在滤波器阶次一定的条件下，使得过渡带幅频响应曲
线的下降尽可能陡。

可以通过调整多个不同元件参数来改变滤波器的截止频率等特性，个人独立完成
参数分析调整，结果不得和他人雷同。

（3）对于所设计的不同截止频率恢复滤波器，根据其系统函数（频率响应），利用Matlab软件
画出其理论频率响应曲线（含幅频响应和相频响应）。

（4）利用Multisim软件，仿真测试所设计的不同截止频率恢复滤波器电路的频率响应曲线（含
幅频响应和相频响应），并和上一步得出理论频率响应曲线进行比较分析。

3. 信号取样和恢复电路的仿真测试分析
（1）借助Multisim软件，分别按照表4-1给定的参数和输入信号，对所设计的取样和恢复电路
进行仿真测试，记录不同参数和输入条件下的输入信号、取样脉冲序列、取样信号、恢复信号的时域
波形和频谱。

表4-1 仿真测试参数设置
恢复滤波器
截止频率
1kHz 8kHz
取样脉冲序列
8kHz矩形脉冲序列
3种输入信号：1kHz正弦波、1kHz三角波（或方波）、7kHz正弦波32kHz矩形脉冲序列
（2）结合有关信号频谱、信号取样和恢复、信号滤波等方面的理论知识，对上一步所得出的时
域、频域结果进行深入比较分析，探讨其理论基础，重点讨论取样和恢复前后信号频谱中各频率分量
幅度的变化。

主要分析内容包括：
①同一输入信号（分别讨论1kHz正弦波、7kHz正弦波、1kHz三角波/方波），在不同取样频率、
不同恢复滤波器截止频率（4种组合）条件下，恢复信号的差异，从频域角度定性分析差异产生的原
因；
②相同电路参数（8kHz取样脉冲、1kHz恢复滤波器）条件下，比较1kHz正弦和7kHz正弦输入
信号所对应取样信号、恢复信号的异同（包括幅度、相位等具体参数的数值），定性分析其原因，并
进行定量计算，和仿真实测的数据进行比较；
③（此步内容为选做）相同电路参数（8kHz取样脉冲、8kHz恢复滤波器）条件下，比较1kHz 正弦和7kHz正弦输入信号所对应取样信号、恢复信号的异同，定性分析其原因；
④相同电路参数（8kHz取样脉冲、1kHz恢复滤波器）条件下，比较1kHz正弦和1kHz三角波/方波输入信号所对应取样信号、恢复信号的异同，定性分析其原因；
⑤相同电路参数（32kHz取样脉冲、8kHz恢复滤波器）条件下，比较1kHz正弦和1kHz三角波/方波输入信号所对应取样信号、恢复信号的异同（包括幅度、相位等具体参数的数值），定性分析其原因，并进行定量计算，和仿真实测的数据进行比较。

（3）针对截止频率为1kHz的恢复滤波器，分别采用50%、20%、10%三种占空比的取样脉冲序列（取样频率自定，满足无混叠要求），对1kHz正弦信号进行取样和恢复仿真测试，比较不同占空比的取样脉冲序列对取样结果和恢复结果的影响，并结合相关理论知识，定量分析其原因。

4. 信号取样和恢复实验电路板的制作、调试、测试和分析
（1）利用已经设计加工完成的信号取样和恢复电路PCB，按本指导书附录提供的电路图元件参数和PCB图，完成元器件的安装焊接。

（2）将焊接完成的电路板插到信号和系统实验箱上，恢复滤波器截止频率设置为1kHz，接入适当的输入信号和取样脉冲序列，通电并用示波器测试电路中关键点波形，验证电路工作是否正常。

（3）针对截止频率为1kHz的恢复滤波器，按照表4-1，用示波器分别测试实验电路板在不同取样频率、不同类型输入信号（输入信号幅度自定）条件下的取样信号、恢复信号波形和频谱，记录测试结果，包括波形的形状、幅度、频率、相位（相对于输入信号）等量化信息，并和相应的仿真结果进行比较，分析误差产生的原因。

（4）在恢复滤波器截止频率为1kHz、输入信号为1kHz正弦信号（幅度一定）的条件下，分别采用50%、20%、10%三种占空比的取样脉冲序列（取样频率自定，满足无混叠要求），测试实验电路板的取样信号、恢复信号的波形，记录测试结果，包括波形的形状、幅度、频率、相位（相对于输入信号）等量化信息，并和相应的仿真结果进行比较，分析误差产生的原因。

（5）按以下步骤，将恢复滤波器截止频率调整为8kHz：①参照信号取样和恢复实验电路，在Multisim软件上进行仿真分析，确定8kHz截止频率恢复滤波器的两个可调电阻值（电容不可调）；②关闭实验箱电源，将取样和恢复实验电路板的恢复滤波器截止频率设置开关拨到“1kHz”位置；③按照仿真分析得到的电阻值，分别调节实验板上的两个可调电阻；④将恢复滤波器截止频率设置开关拨到“可调”位置；⑤重新打开实验箱电源，此时恢复滤波器的截止频率被设置为8kHz。

（6）针对截止频率为8kHz的恢复滤波器，按照表4-1，用示波器分别测试实验电路板在不同取
样频率、不同类型输入信号（输入信号幅度自定）条件下的取样信号、恢复信号波形和频谱，记录测试结果，并和相应的仿真结果进行比较，分析误差产生的原因。

五、课程设计报告要求
(1) 设计报告书包括内容：课程设计题目，设计目的和意义，设计方案，详细的设计、仿真、实验步骤，设计结果（原理图等），测试和仿真结果（图形或数据）及其分析，结论，参考文献等。

(2) 提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料（电路图、程序、结果等）的电子版。

六、参考文献
[1] 信号和系统课程组. 信号和系统课程设计指导. 2007.10
[2] 吴大正. 信号和线性系统分析（第四版）. 高等教育出版社，2005.8
[3] 蒋卓勤，黄天录，邓玉元. Multisim 及其在电子设计中的使用(第2版). 西安电子科技大学出版社，2011.6
[4] 高明甫，杨勇，孔令斌. 二阶压控电压源低通滤波器设计. 电子技术，2010, 47(3)：73-75 [5] 王宝珠，刘翠响，刘艳萍. 信号和线性系统实验指导. 中国科学技术出版社，2004.5 [6] 信号和线性系统实验箱参考手册
七、附录——设计原理
1. 信号取样和恢复原理 1.1 信号取样
信号取样是采用数字方法来处理模拟信号的第一个环节。

图7-1为数字信号处理系统的一般结构，图中待处理的模拟信号()f t 和取样脉冲序列()s t 相乘，得到取样信号()s f t ，即
()()()s f t f t s t =
(7-1)
)
(s t f D /A ()
f k ()
g k A
/D )
(t g ()
s t )
(t f 量化编码
数字
滤波器
图7-1 数字信号处理系统的一般结构
取样信号()s f t 依然是一个时域信号。

设()f t 的频谱为()F j ω，()s t 的频谱为()S j ω，则根据频域卷积
定理，()s f t 的频谱
1
()()*()2s F j F j S j ωωωπ
=
(7-2)
工程上通常采用周期矩形脉冲信号作为取样脉冲序列。

设周期矩形脉冲的周期为s T 、脉冲宽度为
τ、幅度为E ，则
()()Sa 2s s
s n n S j E n ωτωτωδωω∞
=-∞
⎛⎫
=- ⎪⎝⎭
∑ (7-3)
式中2s s T ωπ=为取样角频率、Sa()为取样函数，即()S j ω为取样函数包络下的冲激序列。

此时
()()1()()*()Sa 222
Sa 2s s
s s n s s n s n F j F j S j E F j n n E F j n T ωωτ
ωωωτωωππωττωω∞
=-∞∞
=-∞
⎛⎫
==-⎡⎤ ⎪⎣⎦⎝⎭
⎛⎫=
-⎡⎤ ⎪⎣⎦⎝⎭∑∑ (7-4)
因此，取样信号的频谱()s F j ω是将原信号频谱()F j ω在ω轴上以s ω为间隔的非等幅周期延拓，如图7-2所示（图中取样脉冲序列的幅度1E =）。

若()F j ω的幅度归一化为1，则第n 个延拓()s F j n ωω-⎡⎤⎣⎦的幅度为
()Sa 2s s n E A n T ωττ⎛⎫
=
⎪⎝⎭
(7-5)
利用式（7-5），式（7-4）可简化表示为
()()()s s
n F j A n F j n ωωω∞
=-∞
=
-⎡⎤⎣⎦∑
(7-6)
在无混叠的条件下，0n =时延拓（称为主延拓）的波形形状和在ω轴上所处的位置和()F j ω完全相同，因为(0)=s A E τ，故主延拓的幅度为()F j ω的s E T τ倍。

若=1E ，则为s τ倍，如图7-2所示。

t
f (t )
o
t o τ
T s
1
t
o T
o o o
ω()
F j ω()
ωS j ω
τ
π
2s
ωs ω-s
τω()
s F j ωω
s
T τ
1
m ωm
ω-m ωωω-相乘
卷积
()
t f s ()
s t
图7-2 周期矩形脉冲取样的时域和频域分析
1.2 信号恢复
能否由取样信号()s f t 重构（恢复）原模拟信号()f t ，是衡量原信号在取样之后是否保留了其所有信息的一个基本判据。

由图2可知，如果信号的取样满足取样定理，即s ω大于等于2倍信号带宽m ω（2s m ωω≥），则在对信号()f t 取样时，频谱()F j ω的周期延拓将不会发生混叠，()s F j ω中每一个延拓的波形和()F j ω的波形形状完全相同，幅度取决于()A n 。

在这种情况下，如果用一个截止频率c ω满足m c s m ωωωω≤≤-的理想低通滤波器()H j ω对()s F j ω进行滤波，则可以由()s F j ω完整地恢复()F j ω。

考虑到时域和频域的唯一对应性，也就表明可以由()s f t 重构原模拟信号()f t 。

该重构过程在频域和时域分别可以用以下数学模型来描述：
()()()()()*()
s s F j F j H j f t f t h t ωωω== (7-7)
式中理想低通滤波器的频率响应()H j ω和冲激响应()h t 分别为
2, ()()
0, 2()Sa()c s
c s
c c
c s
T T E H j g j E h t t E ωωωτωωτωωωωτω⎧≤⎪==⎨⎪>⎩=
(7-8)
式中2()c
g j ωω是宽度为2c ω的频域门函数。

如果信号取样不满足取样定理，则()s F j ω中相邻的两个或多个周期延拓的波形将会有混叠发生。

通常无法从混叠后的频谱()s F j ω中找到和()F j ω波形相同的某个频带，即无法由发生混叠的信号重构原信号。

然而，这种带有混叠（不满足取样定理）的信号取样在工程实际当中也有一定的实用价值，如数字示波器中的等效取样。

对于频率非常高的信号，要对其进行实时取样并显示信号波形，在取样电路的实现上会有困难。

采用等效取样则可以把一个高频信号展宽为容易显示的低频信号。

考虑下面这个一个例子：
设拟测试的信号()f t 为7000Hz 的余弦信号（为了表述和仿真的方便，这里未选用很高频率的信号，但其原理适用于任何频率），即()=cos(14000)f t t π，采用幅度1E =、频率8000Hz （即16000/s rad s ωπ=）、占空比为20%（5s T τ=）的周期矩形脉冲()s t 对()f t 进行取样。

因为
[]()()(14000)(14000)2S()Sa 160005
5n F j n j n ωπδωπδωππ
πωδωπ∞
=-∞
=++-⎛⎫
=
- ⎪⎝⎭∑ (7-9)
则由式（7-4），可得
()()()Sa 1400016000140001600055s n n F j n n ππωδωππδωππ∞=-∞⎛⎫
=+-+--⎡⎤ ⎪⎣
⎦⎝⎭∑ (7-10)
分析式（7-10），可知在16000s ωωπ≤=范围内，()s F j ω包括以下几项
()()()()()14000140005Sa 20002000, 1600055s F j π
ωδωπδωπππδωπδωπωπ=
++-+⎡⎤⎣
⎦⎛⎫
++-≤⎡⎤ ⎪⎣
⎦⎝⎭
(7-11)
其中第1项为0n =的主延拓，后一项由1n =±时的延拓得到。

采用截止频率0.58000c s ωωπ==的理想低通滤波器
160005, 8000()5()0, 8000H j g j πωπ
ωωωπ
⎧≤⎪==⎨>⎪⎩
(7-12)
对()s F j ω进行滤波恢复，可得
()()1()()()Sa 200020005s F j F j H j πωωωπδωπδωπ⎛⎫
==++-⎡⎤ ⎪⎣⎦⎝⎭
(7-13)
1()F j ω对应的时域信号为
1()Sa cos(2000)5f t t ππ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
(7-14)
恢复的结果依然是一个余弦信号，但其频率为1000Hz ，幅度为Sa 5π⎛⎫ ⎪
⎝⎭
，和原信号()f t 不同。

由于理想低通滤波器是物理不可实现的，在实际工程使用中，受恢复滤波器特性的制约，取样角频率应略高于2m ω，才能更有效地抑制取样导致的信号混叠。

同时，实际恢复滤波器的阻带幅频响应并不能做到完全等于0，即使是在无混叠的条件下，也不可能完全滤除所有的高频分量，因此恢复得到的信号会有一定的畸变，当畸变程度低于一定阈值时，在工程上是可以接受的。

此外，实际的模拟滤波器的频率响应是一定的，所以当采用不同占空比或幅度的取样脉冲序列时，所恢复信号的幅度会有所差异，其原因很容易根据前面的相关结果进行分析。

2. 信号取样和恢复电路 2.1 取样电路
信号取样和恢复电路由取样电路和恢复（重构）电路两部分构成。

从原理上来看，取样电路的功能是将信号和取样脉冲序列相乘。

当取样脉冲序列为矩形脉冲时，取样过程也可以用由取样脉冲序列控制的模拟开关电路来实现，但此时取样脉冲的幅度将不会直接影响取样和恢复的结果，其幅度直接归一化为1。

图7-3即为采用4路模拟开关CD4066（只用了其中一路模拟开关）实现的取样电路原理图。

3
2
1
8
4
U 2A
N E5532
R 35.1k
R 45.1k
R 1180
R 2
180
R 1051k
1
2
13
U 1A
C D4066
-12V
+12V
输入信号
取样脉冲序列
取样信号
为了满足双极性输入信号开关控制的需要，模拟开关采用双极性电源供电（图7-3中未画出），可对幅度在电源电压范围以内的双极性输入信号（如正弦波）进行开关控制。

和此同时，为了提高取
样电路的输入阻抗和取样信号的输出负载能力，该取样电路输出端还采用了由运算放大器NE5532构成的电压跟随器。

当取样脉冲序列输入高电平时，模拟开关处于导通状态，输入信号通过电压跟随器输出；反之，模拟开关处于关断状态，取样信号输出为0。

忽略输入信号在电阻R1上的微量压降，取样信号()s f t 和输入信号()f t 之间的关系可以近似表示为
()1
()()s s
f t s t f t K =
(7-15)
式中s K 为取样脉冲序列()s t 的幅度。

2.2 恢复电路
恢复电路为低通滤波器，此处采用由运算放大器NE5532构成的二阶压控电压源低通滤波器。

此外，为抑制尖峰干扰，在运算放大器输出端加上了一级阻容低通无源滤波电路。

截止频率约为1kHz 的恢复滤波器电路原理图如图7-4所示。

由R16和C7构成的无源低通滤波电路截止频率较高，对整个恢复滤波器的总体特性影响很小，也可以忽略不计。

必要时，可以去除输出阻容滤波部分（去除电容C7即可），仅保留二阶压控电压源低通滤波器。

下面主要分析二阶压控电压源低通滤波器部分，阻容滤波的影响（主要是在截止频率较高时不可忽略）请自行分析。

5
6
7
U 2B
N E5532
R 1520k
R 1420k R 134.7k
R 123.3k
C 722n F
C 533n F
R 16180
C 6
33n F
取样信号
恢复输出
图7-4 1kHz 截止频率恢复滤波器原理图
由参考文献[4]可知，图7-4中二阶压控电压源低通滤波器的系统函数为
1213562126136135121356
()
()1111F F A R R C C H s A s s R C R C R C R R C C =
⎛⎫-++++ ⎪
⎝⎭
(7-16)
对应的频率响应为
1213562126136135121356()
()1111F F A R R C C H j A j R C R C R C R R C C ωωω=
⎛⎫--++++ ⎪
⎝⎭
(7-17)
3
2
1
8
4
U2A
NE 5532
5
6
7
U2B
NE 5532
12345678910111213141516171819202122232425262728293031
32
JP1
12345678910111213141516171819202122232425262728293031
32
JP2
D1
R1520k
R1420k R35.1k
R45.1k
R1180
R2180
R52k
R134.7k
R1051k
R123.3k
C722nF
C533nF
C30.1uF
C40.1uF
1
S_OUT
1
PAM_OUT
1
SQU_IN
1
S_IN 12
J412
J31
2J512
J112
J2-12V +12V
1213
U1A
CD4066VCC
VSS
+12V
-12V -12V
+12V
R11180
R16180
C633nF
1
GND1
Vin
3
G N D
2
+5V
1U3
MC78L05CP
Vin 2
G N D
1
-5V
3U4
MC79L05CP
+C10.33uF
+C20.33uF
1
2J61
GND2C90.1uF
C80.1uF
S1
RP210k
RP1
10k
123
J7
R6
180
R7180
为避免歧义，式（7-16）和（7-17）中各元件的标号均表示为下标，下同。

其中F A 为滤波器的直流增益，即C5和C6视为开路时同相比例放大器的电压增益：
14
15
1F R A R =+
(7-18)
F A 也是低通滤波器的通带增益，
当1415R R =时，2F A =。

图7-4针对取样脉冲序列占空比为50%（即2s T τ=）的情形设计，故取2F s A T τ==，使得恢复信号和原信号幅度基本相同。

F A 可根据实际需要设
计为其它增益值，当不关心所恢复信号的幅度时，一般也可以默认取2F A =。

改变图7-4中R12、R13、C5、C6等元件的值，即可改变二阶压控电压源低通滤波器的截止频率、通带幅频响应、过渡带宽度等滤波器特性参数。

具体的参数设计方法参阅相关文献，也可在Multisim 软件环境下通过仿真进行调整。

在系统函数已知的条件下，滤波器的理论频率响应曲线还可以用Matlab 软件进行分析绘图，参见参考文献[5]。

2.3 信号取样和恢复实验电路板原理图
图7-5 信号取样和恢复实验电路板原理图
图7-5中，恢复滤波器截止频率可设置为固定或可调，由拨动开关S1进行切换。

当S1拨到左侧
时，对应于图7-4，此时滤波器截止频率固定为1kHz左右；当S1拨到右侧时，可通过调节可调电阻RP1、RP2来调节恢复滤波器的频率响应形状及截止频率，截止频率的调节范围大约为500Hz~20kHz，J7是调节可调电阻时的测试点（注意测得的阻值已经包括了和RP1和RP2串联的180欧姆电阻）。

JP1和JP2为和实验箱连接的接插件，主要用于给本实验板提供12V
±电源。

12V
±直接给运算放大器NE5532供电，并通过线性稳压集成电路MC78L05、MC79L05（或MC78L08、MC79L08）给模拟开关CD4066提供5V8V
±±
（或）电源（VCC及VSS）。

在输入信号（S_IN）、取样脉冲序列（SQU_IN）、输入参考地（GND2）、取样信号输出（PAM_OUT）、恢复信号输出（S_OUT）、公共地（GND1，和输入参考地同电位）等6个点设置了测试环（J1-J6）和测试孔，用于接线和连接示波器探头。

C3、C4和C8、C9为去耦电容，在PCB上尽量接近IC器件（NE5532、CD4066）的电源引脚进行布局和连线，用于避免因负载波动引起的电源电压变化影响芯片的正常工作。

R5及发光二极管D1构成电源指示灯。

2.4 信号取样和恢复实验电路板PCB图
和图7-5相对应的信号取样和恢复实验电路板PCB图如图7-6所示。

PCB板采用双面板结构，为了便于识别，分别给出了元件布局图、顶层布线图、底层布线图和总体效果图
在PCB焊接元件时，要特别注意以下几点：
（1）PCB左右两侧的两个接插件（JP1和JP2，图7-6中未标注）必须反向安装在PCB的底层！并且一定要注意其安装的方向，保证接插件上的两个圆孔和PCB上的圆孔完全对准！其余元件均安装在电路板的顶层。

（2）电阻R5和电源指示发光二极管D1位于PCB的右上角，R5和D1均为表贴按照的元件，焊接D1时注意发光二极管的极性，上端焊盘为阳极、下端焊盘为阴极。

（3）U1和U2不是直接焊接芯片（CD4066和NE5532），而是焊接IC插座（DIP14和DIP8），注意IC插座的小缺口朝上！焊接后将IC芯片插到IC插座上，插入芯片时注意芯片的方向（小缺口朝上）！
（4）“可调电阻测试点”处不需焊接任何元件。

（5）除测试环之外，其余元件均紧贴PCB板安装，焊接后元件底面和PCB之间尽量不留空隙。

测试环焊接时，两个焊脚约突出PCB底层（焊接面）1~2mm。

3. 基于Multisim的信号取样和恢复电路仿真
Multisim原为加拿大Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的基于Windows操作系统的电路仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板设计。

2005年，Electronics Workbench公司被美国NI（National Instruments）公司收购，NI将Multisim和虚拟仪器软件Labview
完美结合，使得其性能获得极大的提升。

目前，Multisim是NI Circuit Design Suite（NI电路设计套件）的一个主要部分，最新版本为Multisim 12。

本指导书后续介绍均基于Multisim 11。

NI Circuit Design Suite包括两个主要模块：一个是Multisim，用于电路原理图的设计及功能仿真验证；另一个是Ultiboard，用于PCB设计。

本课程设计只用到Multisim。

（a）元件布局图
（b）顶层布线图
（c）底层布线图
（d）总体效果图
图7-6 信号取样和恢复实验电路板PCB图
采用Multisim进行电路仿真分析包括以下几个基本步骤：（1）绘制原理图；（2）添加激励信号源和电路分析测试仪器仪表；（3）设置仿真参数，运行仿真；（4）仿真结果输出及分析。

下面以信号取样和恢复电路为例，简要介绍这些基本步骤。

有关Multisim软件及其使用方法的详细信息，请参阅Multisim帮助文档或者其他参考文献。

3.1 在Multisim中绘制电路原理图
Multisim 11软件运行后的界面如图7-7所示。

主要包括：（1）菜单栏和工具栏；（2）文档管理区（左侧中间区域），为当前已经打开的文档列表；（3）仪表工具栏（右侧中间边栏），包括各类电路测试分析仪器仪表：示波器、频谱分析仪、频率响应分析仪（Bode图仪）、函数发生器、计数器、逻辑分析仪、多用表等等；（4）图纸区，位于窗口中间区域；（5）信息提示区（窗口下端），显示软件运行过程中产生的各种文本信息。

图7-7 Multisim 11软件主界面
Multisim原理图绘制的基本方法和其它EDA软件无根本差异。

原理图中的基本要素主要包括：（1）元件，从元件库中获取；（2）连线，用于连接元件的引脚，表示电路元件中的连接关系；（3）标注和注释，主要为了读图的方便，本身没有电气含义。

原理图绘制的基本步骤：（1）从相应的元件库中找到所需的元件，放置到图纸中适当的位置；（2）按照元件之间的连接关系，用连线连接起来；（3）添
加必要的标注和注释。

但需要注意，Multisim元件库中的元件有两种基本类型：一类是所谓的虚拟（Virtual）元件，此类元件通常无具体的型号规格，是一种理想化的元件。

例如一个虚拟三极管元件，它只需确定三极管的类型（NPN或PNP），其它性能均理想化，比如放大系数无限制，可以承受任意大的电流、电压而不会损坏，不受温度影响等等。

此类电源可以进行理想化的功能仿真，其缺陷是不能完全模拟电路的真实工作状态。

另一类是模拟实际器件的元件，也就是根据某个型号实际器件的典型参数，构建相应的元件模型，尽可能模拟实际器件的工作状态。

此类元件在元件库中的名称通常就是元件的型号，也可以自己定义元件并设置其模型。

如果在仿真电路中采用这种元件，可以更准确地模拟电路的实际工作状态。

但是目前还无法完全替代实际电路的调试和测试，一方面元件的模型可能不尽完善，另一方面由于实际元件种类繁多，难以穷尽，可能很多需要用到的元件并不能从元件库中找到，有时候需要用类似的元件或虚拟元件替代来进行仿真。

此外，Multisim中元件符号图形可以设置为两种不同的标准：ANSI或者DIN。

前者为美国标准，后者为德国标准，两种标准的主要差异在于电阻元件符号不同。

选用何种标准可以在Multisim软件Options菜单下的Global Preferences项中设置，如图7-8所示。

(a) 选择DIN标准(b)选择ANSI标准
图7-8 Multisim中选择元件符号标准
图7-9为在Multisim 11中绘制的信号取样和恢复实验电路板功能仿真原理图，此图采用的是ANSI 元件符号标准。

和图7-5相比，进行了一些简化处理，去除了部分和功能仿真关系不大的电路，如去耦电容、测试环和测试孔、接插件、电源指示灯电路等等。

由于元件库中没有型号为CD4066的元件，
U1A
MC74HC4066N
1D
2
1S 11IN
13
VDD
14VSS 7
V3
12 V R1051kΩ
V4
12 V R1180ΩR4
5.1kΩ
U2A
NE5532P
3
2
4
8
1
U2B
NE5532P 5
6
4
8
7
R16180Ω
R123.3kΩ
R13
4.7kΩ
R15
20kΩ
R1420kΩ
C533nF
C6
33nF
C7
22nF
R2180Ω
XFG1
R35.1kΩ
XSC1
A
B
C
D
G T
XBP1IN
OUT
XSA1
T
IN XSA2
T
IN XSA3
T IN
XSA4
T
IN XBP2
IN
OUT
XFG2
U4LM7905CT
LINE
VREG
COMMON
VOLTAGE
U5LM7805CT
LINE VREG
COMMON
VOLTAGE
C11µF
C2
1µF
C30.1µF
C4
0.1µF 图7-9中采用功能和参数基本一致的MC74HC4066N 代替。

U1A
MC74HC4066N
1D
2
1S 11IN
13
VDD
14VSS 7
V3
12 V R1051kΩ
V4
12 V R1180ΩR4
5.1kΩ
U2A
NE5532P
3
2
4
8
1
U2B
NE5532P 5
6
4
8
7
R16180Ω
R123.3kΩ
R13
4.7kΩ
R15
20kΩ
R1420kΩ
C533nF
C633nF
R2180Ω
R35.1kΩ
U4LM7905CT
LINE
VREG
COMMON
VOLTAGE
U5LM7805CT
LINE VREG COMMON
VOLTAGE
C11µF
C2
1µF
C3
0.1µF
C4
0.1µF
图7-9 信号取样和恢复实验电路Multisim 仿真原理图
3.2 添加激励信号和测试仪器仪表
要让仿真电路工作，需要给电路中输入端接上适当的激励信号。

在图7-9所示的信号取样和恢复电路中，所需要的激励信号就是输入信号和取样脉冲序列。

此外，为了在仿真运行过程中或仿真完成之后观测电路运行状态，还需要在仿真电路中添加各种必要的测试仪器仪表。

在图7-9基础上添加激励信号源和分析测试仪器仪表之后，所得到的仿真电路如图7-10所示。

图7-10 信号取样和恢复实验电路Multisim 仿真测试电路
图7-10中，XFG1和XFG2为激励信号源，分别用于提供输入信号和取样脉冲序列。

XSC1为四通道示波器，分别测试输入信号、取样脉冲序列、取样信号、恢复输出信号等4路信号波形。

XSA1~XSA4为4个频谱分析仪，分别对上述4路信号进行频谱分析。

XBP1和XBP2为Bode 图测试仪，分别用于测试二阶压控电压源低通滤波器和输出阻容滤波电路的频率响应。

下面分别简要介绍这里用到的信号源及分析测试仪器仪表的特点和用法，详细使用说明以及其它仪表的使用方法请参阅相关文献（如参考文献[3]）。