1.引言

隨著數(shù)字技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測領(lǐng)域中，信號的處理無處不在。自然界中的物理量，例如壓力、溫度、位移、等都是模擬量。

要對這些物理量進行控制和檢測，往往需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起轉(zhuǎn)換作用的電路--模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。A/D D/A轉(zhuǎn)換器在電子線路中的應(yīng)用十分廣泛，它溝通了整個電子領(lǐng)域中的模擬域和數(shù)字域。但在A/DD/A轉(zhuǎn)換器的實驗教學(xué)過程中，由于受傳統(tǒng)實驗設(shè)備的限制，很難對其實際工作過程進行有效的分析與驗證。OrCAD/PSpice提供了一個虛擬實驗平臺，它克服了傳統(tǒng)電子元器件、儀器設(shè)備的限制，包含非常豐富的電子元器件庫，并且提供功能強大的多種仿真分析功能，本文利用其瞬態(tài)分析功能，在A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路的仿真與分析中，很好地捕捉和展現(xiàn)出各種時域暫態(tài)的數(shù)字信號和相應(yīng)模擬電壓波形，能幫助學(xué)生熟悉和快速掌握先進的電路實驗方法和技能。

2.A/D D/A轉(zhuǎn)換電路基本原理

(1)AD轉(zhuǎn)換電路基本原理

A/D轉(zhuǎn)換器是用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成一組相應(yīng)的二進制數(shù)字量輸出。圖1為8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖。它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。

電路啟動后，第一個CP將移位寄存器置為10000000,該數(shù)字經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器送入D/A轉(zhuǎn)換器。輸入模擬電壓Vi首先與10000000所對應(yīng)的電壓Vref/2相比較，如果Vi>=Vref/2,則比較器輸出為1,否則輸出為0,此結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的D7位;第二個CP使移位寄存器為01000000.如果最高位已存1,則此時D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vo'=3Vref/4,Vi再與3Vref/4相比較，如果Vi>=3Vref/4,則次高位D6存1,否則存0;如果最高位為0,則Vo'=3Vref/4,Vi與Vo'

比較，如果Vi>=3Vref/4,則數(shù)據(jù)寄存器的D6存1,否則存0……依此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量為止，這就是8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。

輸出數(shù)字量與輸入模擬量之間的一般關(guān)系式為：

(2)DA轉(zhuǎn)換電路基本原理

將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程稱為D/A轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)D/A軟的的器件稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC,其框圖如圖2所示。

圖2中，輸入數(shù)字量NB為n位二進制代碼Dn-1Dn-2…D1D0,Vo為輸出模擬量。輸出量與輸入量之間的一般關(guān)系式為：

實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的過程是將輸入二進制數(shù)中為1的每1位代碼按其權(quán)的大小，轉(zhuǎn)換成模擬量，然后將這些模擬量相加，相加的結(jié)果就是與數(shù)字量成正比的模擬量。這就是組成D/A轉(zhuǎn)換器的指導(dǎo)思想。

3.AD/DA轉(zhuǎn)換電路的仿真與分析

(1)AD轉(zhuǎn)換電路的仿真與分析

A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示：

由圖3和圖4可知，在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端加一模擬信號，其幅值為2.5V,周期為10us,加上直流偏移量為2.5V的正弦信號。經(jīng)過A/D器轉(zhuǎn)換之后得到一個12位的數(shù)字總線，其數(shù)值大小正好與模擬信號VI的幅度值對應(yīng)，即準(zhǔn)確實現(xiàn)了模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程。

(2)DA轉(zhuǎn)換電路的仿真與分析

D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖5所示：

由圖5可知，在D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端加了三個74161十六進制計數(shù)器構(gòu)成一個12位的4096進制計數(shù)器。在時鐘信號CLK作用下不斷完成D/A轉(zhuǎn)換的過程，由圖6可看出，在12位遞增計數(shù)器作用下，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出了從0V到滿量程5V的模擬鋸齒波形，即準(zhǔn)確實現(xiàn)了數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換過程。

(3)AD/DA轉(zhuǎn)換電路的聯(lián)合仿真與分析

A/D D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖7所示：

A/D D/A轉(zhuǎn)換電路仿真波形圖如圖8所示：

由圖7可知在A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入端輸入一個幅值為2.5V,周期為10us,加上直流偏移量為2.5V的正弦信號VI.經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換之后輸出12位的數(shù)字信號D[11:0],然后再把這12位的數(shù)字信號作為下一級D/A轉(zhuǎn)換器的輸入信號輸入，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換之后輸出對應(yīng)的模擬信號VDA,最后再通過一個一階RC低通濾波器輸出平滑的正弦信號VO.由圖8可以看出，經(jīng)A/DD/A轉(zhuǎn)換器作用之后的模擬信號波形VO與轉(zhuǎn)換之前的正弦模擬信號VI基本一致。即準(zhǔn)確的實現(xiàn)了整個模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換過程。

4.總結(jié)

A/D D/A轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果值與輸入值之間往往會存在誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)換精度越高，即數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換位數(shù)越寬，則轉(zhuǎn)換誤差越小。實際應(yīng)用中，往往在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端加一低通濾波電路對數(shù)模轉(zhuǎn)換后的階梯波形進行濾波處理，使輸出波形變得更平滑，以接近實際模擬信號。結(jié)果證明，該方案解決了以往受傳統(tǒng)實驗儀器設(shè)備限制而難以驗證的問題，具有較大的實用性。