用Multisim设计模数转换器

Question

用Multisim复现一个电容模数转换器的电路设计和仿真，有可参照内容，需要进行一定的讲解！

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

当然，我很乐意帮助您在Multisim环境中设计并仿真一个电容模数转换器（Capacitive Analog-to-Digital Converter, CADC）电路。以下是详细的设计步骤、相关原理讲解以及所需组件选择与连接方法。由于Multisim是一个图形化电子设计自动化软件，我将通过文字描述指导您如何构建电路，而无法直接在此处绘制模拟图。您可以在实际操作中参照以下描述在Multisim中构建。

1. 电容模数转换器工作原理

电容模数转换器基于电容充放电时间与电容值成反比的原理，通过测量电容充电或放电的时间来确定未知电容值。基本结构通常包括一个已知电容（参考电容）、待测电容、比较器、计数器以及时钟信号源等部分。具体工作流程如下：

• 令待测电容和参考电容并联，同时对它们进行充电。
• 当待测电容电压达到某个阈值（由比较器设定）时，停止充电，并开始计数器计时。
• 同时对两个电容进行放电，当待测电容电压下降到另一阈值时，停止放电并停止计数。
• 计数器的计数值与待测电容值成正比，由此实现电容到数字的转换。

2. Multisim中构建CADC电路

步骤一：创建新项目

打开Multisim，创建一个新的电路设计项目。

步骤二：添加所需元件

在左侧的“虚拟仪器库”或“元器件库”中，按照以下列表添加所需元件至工作区：

• 电源：提供稳定的充电电压，例如双极性电源（±5V）。
• 时钟信号源：为计数器提供时钟脉冲，例如方波发生器，设置合适的频率和占空比。
• 开关：用于控制充电和放电过程，可以选用模拟开关或逻辑门电路实现。
• 参考电容：已知固定值电容，根据精度要求选择合适值。
• 待测电容：作为被测对象，您可以通过Multisim中的可变电容元件实现电容值的调整，以便验证转换器性能。
• 比较器：设定充电和放电的阈值电压，例如LM311或LM339。
• 计数器：记录充电和放电时间，例如74LS161同步计数器或其他具有计数功能的数字集成电路。
• 数字显示器（可选）：显示计数器的输出结果，便于直观观察。

步骤三：连接电路

按照电容模数转换器的工作原理，按照以下方式连接各个元件：

• 将电源的正负端分别连接至待测电容和参考电容的一端，两电容的另一端接地。
• 使用开关控制待测电容和参考电容的充电和放电过程。充电时，开关接通电源；放电时，开关接地。
• 将待测电容和参考电容的公共端连接至比较器的输入端，设置比较器的阈值电压，使充电至阈值时触发比较器输出翻转。
• 比较器的输出连接至计数器的时钟输入端，时钟信号源的输出也连接至同一端口，但需确保两者之间加逻辑“与”门，以便仅在充电阶段计数。
• 计数器的清零端连接至放电阶段比较器输出翻转的信号，确保每次放电结束后计数器归零。
• （可选）将计数器的输出端连接至数字显示器，显示转换结果。

步骤四：参数设置与仿真

• 设置时钟信号源的频率和占空比，确保充电时间在可接受范围内。
• 根据待测电容范围和精度要求，设置比较器的阈值电压以及参考电容值。
• 运行仿真，调整待测电容值，观察计数器输出（或数字显示器）的变化，验证其与待测电容值的关系是否符合预期。

以上就是在Multisim中设计并仿真电容模数转换器的详细步骤。请根据实际情况调整元件参数和电路连接，以满足您的具体需求。如果您在实际操作过程中遇到问题，可以查阅Multisim用户手册或在线教程获取进一步帮助。