楊 強(qiáng)， 劉 軍， 翟 娟， 王廣西， 張慶賢， 劉秋實(成都理工大學(xué) . 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院； . 總務(wù)處， 成都 610059)

0 引 言

隨著我國核工業(yè)的發(fā)展，越來越多的高校開設(shè)了核工類專業(yè)[1-2]。核電子學(xué)及其相關(guān)實驗課程，作為核工類專業(yè)核心實驗課程之一，其主要知識點(diǎn)是認(rèn)識探測器輸出核信號的特點(diǎn)，了解信號的產(chǎn)生及其變換，掌握波形處理與信號采集等相關(guān)電路的結(jié)構(gòu)，觀察并對比核信號通過各模塊前后，其前沿、幅度、脈寬等信號參數(shù)的變化情況[3-5]。利用虛擬仿真手段，無需放射源即可方便的產(chǎn)生模擬核信號，極大的節(jié)約了實驗教學(xué)成本，降低放射源的使用風(fēng)險，符合國家對高?；虿豢杉暗膶嶒烅椖浚_展虛擬化教學(xué)模式的要求[6-8]。Multisim仿真軟件能夠方便的對模擬、數(shù)字電路進(jìn)行仿真分析。核電子學(xué)實驗課程包含10多個單元電路模塊，有些實驗如G-M管坪曲線測定γ閃爍探測器及光電倍增管輸出信號測定等必須結(jié)合實物探測器使用，無法進(jìn)行仿真實驗教學(xué)。而單道脈沖幅度分析、峰值采樣保持、線性放大以及AD信號采集等實驗，能夠通過Multisim模擬探測器信號輸出，從而實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)[9-10]。本文以脈沖峰值采樣保持電路為例，介紹如何利用Multisim開展核電子學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)。

1 Multisim軟件及其特點(diǎn)

Multisim仿真軟件[11-12]包含了大多數(shù)常用的模擬器件，能夠方便的實現(xiàn)原理圖繪制，提供了豐富的在線仿真分析工具。軟件可進(jìn)行各種電路的仿真和分析，如靜態(tài)工作點(diǎn)分析、輸入、輸出脈沖甄別、電壓開環(huán)增益測試等。利用自帶的信號發(fā)生器和多通道示波器可以方便的模擬脈沖波形，實現(xiàn)多路信號的并行觀察。

2 峰值采樣保持電路的原理

峰值采樣保持電路，只對輸入的第一個脈沖信號進(jìn)行采樣并保持，對后續(xù)信號，無論其脈沖幅度高于或低于首個信號均不改變其輸出(見圖1)。

圖1 脈沖峰值采樣保持電路工作原理

電路有兩種狀態(tài)：首先是采樣狀態(tài)，圖中，當(dāng)?shù)?個信號峰值①到來前，采樣電路跟隨信號上升，到達(dá)封頂之后進(jìn)入保持狀態(tài)。此后，無論輸入信號小于或高于保持電平，電路輸出均不改變，直到電路復(fù)位。

3 Multisim電路實現(xiàn)

3.1 電路總體結(jié)構(gòu)

電路總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路由閾值、信號比較、邏輯控制和峰值保持等模塊組成。其中峰值保持模塊是整個電路核心。

圖2 總體電路結(jié)構(gòu)

3.2 電路組成

3.2.1閾值比較模塊

閾值比較模塊由LM311比較器構(gòu)成，同相端接輸入電壓，反相接閾值，輸出信號接邏輯控制電路，其作用是只讓幅度大于閾值的脈沖信號通過。閾值電壓由一個可變電位器Rw1與10 kΩ電阻串聯(lián)構(gòu)成，閾值調(diào)節(jié)范圍是從0～2/3VCC，見圖3。通過調(diào)節(jié)閾值，學(xué)生可以觀察當(dāng)信號電平低于閾值時，電路的工作情況。

3.2.2邏輯控制模塊

邏輯控制電路由兩個74LS74D觸發(fā)器構(gòu)成，其作用是給峰值存儲電容放電模擬開關(guān)(見圖4)以及輸入信號截止開關(guān)提供控制信號。當(dāng)閾值模塊輸出正脈沖時，U3A同相輸出高電平，反向輸出(圖中1)低電平，該信號反饋到峰值存儲電容放電模擬開關(guān)，使其關(guān)閉，電路開始充電過程。

圖3 閾值模塊電路

當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值后，U3B時鐘輸入端(圖中2)接受來自信號比較電路輸出正脈沖，則輸出峰值保持信號(圖中3)。該信號一方面可輸出給MCU申請中斷，另一方面反饋給輸入信號截止開關(guān)，使其導(dǎo)通，阻止新的信號進(jìn)入。

圖4 邏輯控制模塊電路

3.2.3峰值比較模塊

信號比較模塊由一個比較器組成。同相端接保持信號，反相端接輸入信息。通過比較兩者的大小，當(dāng)脈沖信號到達(dá)峰頂時，比較模塊輸出高電平，見圖5所示。

圖5 信號比較模塊電路

3.2.4峰值保持模塊

峰值保持模塊是整個電路的核心，由兩個運(yùn)算放大器LM318，兩個模擬開關(guān)、單向電流開關(guān)(二極管)、峰值存儲器(電容)及相應(yīng)的電阻構(gòu)成。圖6中設(shè)置了6個電壓探針監(jiān)測點(diǎn)(見表1)，學(xué)生可以觀察監(jiān)測點(diǎn)的電壓，學(xué)習(xí)了解峰值采樣保持電路的工作情況。

圖6 峰值保持模塊電路

表1 電壓測量探針說明

3.3 參數(shù)設(shè)置

虛擬仿真實驗的目的是讓學(xué)生了解峰值保持器工作的原理，并可方便的觀察各節(jié)點(diǎn)在多種條件下的信號波形。因此，輸入信號可選擇具有緩慢上升特性的三角波來代替脈沖信號，同時頻率設(shè)定為1 Hz，占空比為50%，信號幅度從0.2～2 V之間調(diào)節(jié)。示波器各通道刻度2 V/div，時基標(biāo)度選500 ms/div，直流耦合，上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平大于500 mV。

4 仿真結(jié)果

實驗中在多個節(jié)點(diǎn)使用探針工具觀察電路直流電壓的變化情況。同時，設(shè)置兩個示波器觀察信號的時序波形，圖7是雙通道示波器波形。其中：t0時刻，輸入信號超過閾值，峰值保持信號跟隨輸入信號變化；t1時刻，到達(dá)峰頂，信號進(jìn)入保持狀態(tài)；t2時刻，電路手動復(fù)位?？梢杂^察到保持電容的電壓隨著時間有略微減小。

圖7 輸入波形與峰值保持信號時序圖

由圖8可見，四輸入示波器波形從上至下依次是輸入信號、峰值存儲電容放電開關(guān)控制信號、信號比較模塊輸出信號、輸入信號截止開關(guān)控制信號。

圖8 電路各節(jié)點(diǎn)波形時序圖

在t0時刻，輸入信號滿足閾值電壓，峰值存儲電容放電開關(guān)關(guān)閉，電路開始充電；t1時刻，到達(dá)峰頂，信號比較模塊輸出高電平，輸入信號截止開關(guān)導(dǎo)通，此時信號略有延遲；t2、t3時刻，由于峰值存儲電容電壓值略低于輸入信號，信號比較模塊輸出了一個負(fù)脈沖，但這個脈沖不會改變電路狀態(tài)；t4時刻，系統(tǒng)手動復(fù)位，峰值存儲電容放電開關(guān)導(dǎo)通，電容放電，各模塊恢復(fù)初始狀態(tài)；t5、t6同t0、t1，記錄第2個峰值脈沖。

可以看出，通過示波器對各個時刻電路節(jié)點(diǎn)信號時序波形的觀察，對于分析電路功能，理清觸發(fā)信號因果關(guān)系有極大的幫助。事實上，基于Multisim的虛擬仿真軟件，能夠最大限度的重現(xiàn)各時刻波形的變化，能夠克服實物實驗過程中，輸入通道受限、信號難于捕捉的難題。

5 結(jié) 語

將虛擬仿真技術(shù)，引入到核電子學(xué)實驗教學(xué)工作中，能夠彌補(bǔ)高校在核工類實驗資源不足，有效降低放射源的使用風(fēng)險，實現(xiàn)高危或不可及實驗中，安全無輻射的目標(biāo)。使用Multisim仿真軟件，通過合理設(shè)置信號發(fā)生器和示波器，能夠開展核電子學(xué)虛擬仿真實驗的教學(xué)工作，對線性脈沖放大電路、單道脈沖幅度分析電路、峰值保持器等核電子學(xué)實驗，均能實現(xiàn)仿真教學(xué)。既可作為實物電路實驗前的準(zhǔn)備，也可作為作業(yè)學(xué)生自行學(xué)習(xí)完成。虛擬仿真實驗與實物實驗相比，能夠極大的降低實驗成本，確保實驗的安全性，為核電子學(xué)實驗課程的開設(shè)提供了一種思路。

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