Multisim在核電子學虛擬仿真實驗中的應用

楊 強， 劉 軍， 翟 娟， 王廣西， 張慶賢， 劉秋實(成都理工大學 . 核技術與自動化工程學院； . 總務處， 成都 610059)

0 引 言

隨著我國核工業的發展，越來越多的高校開設了核工類專業[1-2]。核電子學及其相關實驗課程，作為核工類專業核心實驗課程之一，其主要知識點是認識探測器輸出核信號的特點，了解信號的產生及其變換，掌握波形處理與信號采集等相關電路的結構，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生模擬核信號，極大的節約了實驗教學成本，降低放射源的使用風險，符合國家對高?；虿豢杉暗膶嶒烅椖浚_展虛擬化教學模式的要求[6-8]。Multisim仿真軟件能夠方便的對模擬、數字電路進行仿真分析。核電子學實驗課程包含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合實物探測器使用，無法進行仿真實驗教學。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，從而實現虛擬仿真實驗教學[9-10]。本文以脈沖峰值采樣保持電路為例，介紹如何利用Multisim開展核電子學虛擬仿真實驗教學。

1 Multisim軟件及其特點

Multisim仿真軟件[11-12]包含了大多數常用的模擬器件，能夠方便的實現原理圖繪制，提供了豐富的在線仿真分析工具。軟件可進行各種電路的仿真和分析，如靜態工作點分析、輸入、輸出脈沖甄別、電壓開環增益測試等。利用自帶的信號發生器和多通道示波器可以方便的模擬脈沖波形，實現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行采樣并保持，對后續信號，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：首先是采樣狀態，圖中，當第1個信號峰值①到來前，采樣電路跟隨信號上升，到達封頂之后進入保持狀態。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，直到電路復位。

3 Multisim電路實現

3.1 電路總體結構

電路總體結構如圖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 總體電路結構

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電阻串聯構成，閾值調節范圍是從0～2/3VCC，見圖3。通過調節閾值，學生可以觀察當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觸發器構成，其作用是給峰值存儲電容放電模擬開關(見圖4)以及輸入信號截止開關提供控制信號。當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，使其關閉，電路開始充電過程。

圖3 閾值模塊電路

當到達峰值后，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，使其導通，阻止新的信號進入。

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，當脈沖信號到達峰頂時，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，由兩個運算放大器LM318，兩個模擬開關、單向電流開關(二極管)、峰值存儲器(電容)及相應的電阻構成。圖6中設置了6個電壓探針監測點(見表1)，學生可以觀察監測點的電壓，學習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 參數設置

虛擬仿真實驗的目的是讓學生了解峰值保持器工作的原理，并可方便的觀察各節點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，同時頻率設定為1 Hz，占空比為50%，信號幅度從0.2～2 V之間調節。示波器各通道刻度2 V/div，時基標度選500 ms/div，直流耦合，上升沿觸發，觸發電平大于500 mV。

4 仿真結果

實驗中在多個節點使用探針工具觀察電路直流電壓的變化情況。同時，設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，到達峰頂，信號進入保持狀態；t2時刻，電路手動復位?？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控制信號、信號比較模塊輸出信號、輸入信號截止開關控制信號。

圖8 電路各節點波形時序圖

在t0時刻，輸入信號滿足閾值電壓，峰值存儲電容放電開關關閉，電路開始充電；t1時刻，到達峰頂，信號比較模塊輸出高電平，輸入信號截止開關導通，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脈沖，但這個脈沖不會改變電路狀態；t4時刻，系統手動復位，峰值存儲電容放電開關導通，電容放電，各模塊恢復初始狀態；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點信號時序波形的觀察，對于分析電路功能，理清觸發信號因果關系有極大的幫助。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 語

將虛擬仿真技術，引入到核電子學實驗教學工作中，能夠彌補高校在核工類實驗資源不足，有效降低放射源的使用風險，實現高危或不可及實驗中，安全無輻射的目標。使用Multisim仿真軟件，通過合理設置信號發生器和示波器，能夠開展核電子學虛擬仿真實驗的教學工作，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實驗，均能實現仿真教學。既可作為實物電路實驗前的準備，也可作為作業學生自行學習完成。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，為核電子學實驗課程的開設提供了一種思路。

參考文獻(References)：

[1] 楊金鳳. 福島核事故陰影下的核人才培養——專訪清華大學工物系黨委書記陳懷璧[J]. 中國核工業， 2011(4): 42-45.

[2] 石偉平，徐國慶. 試論當前中國發展技術本科的意義與策略[J]. 教育發展研究， 2003(12): 57-60.

[3] 曾文杰，俞 紅，趙 越，等. 核輻射探測與核電子學實驗課程成績評定方法研究[J]. 高教學刊， 2017(1): 46-47.

[4] 吳軍龍，庹先國，李懷良，等. 基于核電子學加強核科學與技術學科研究的思考——以西南科技大學為例[J]. 產業與科技論壇， 2016(19): 270-271.

[5] 周正東. 結合翻轉課堂和行李安檢案例的核電子學教學探索[J]. 科技資訊， 2016(13): 121-122.

[6] 劉亞豐，蘇 莉，吳元喜，等. 虛擬仿真實驗教案設計及實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2017(3): 185-188.

[7] 趙銘超，孫澄宇. 虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2017(4): 90-93.

[8] 周懷彬，陳恩慈，鄭曉群. 虛擬仿真實驗在實驗室基本儀器操作課程教學中的作用探討[J]. 科技展望， 2017(13): 224.

[9] 潘學文，趙全友，楊振南. Multisim仿真軟件在電子技術實驗教學中的應用及效果分析[J]. 湖南科技學院學報， 2016(5): 40-43.

[10] 張 靜，任文華. Multisim仿真軟件在模擬電路課程教學中的應用[J]. 計算機時代， 2016(12): 95-97.

[11] 鐘偉雄. Multisim仿真軟件在模擬電子技術實驗教學中的應用[J]. 信息通信， 2013(6): 23.

[12] 韓成磊，嚴 斌，程 琳. 新型核電子學實驗系統峰值保持電路的設計[J]. 求知導刊， 2015(8): 152.

[13] 王衛國，胡今鴻，劉 宏. 國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J]. 實驗室研究與探索， 2015(5): 214-219.

[14] 張智煥，張惠娣. 機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐[J]. 實驗技術與管理， 2014(7): 102-103, 111.

[15] 郭江華，聶 矗，謝誕梅. 虛擬仿真技術在核工程與核技術專業教學中的應用探討[J]. 中國電力教育， 2011(9): 37-38.

[16] 陳國輝，劉有才，劉士軍，等. 虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J]. 實驗室研究與探索， 2015, 34(8): 169-172, 185.