九江學(xué)院電子工程學(xué)院 羅 泉 劉澤良

淺談Multisim在A/D與D/A轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

九江學(xué)院電子工程學(xué)院 羅 泉 劉澤良

隨著數(shù)字信號(hào)處理和集成電路的發(fā)展，數(shù)字電路處理模擬信號(hào)的情況越來(lái)越普遍，這種信號(hào)處理最重要的步驟就是實(shí)現(xiàn)A/D與D/A的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了避免實(shí)際操作的繁瑣，同時(shí)節(jié)約實(shí)驗(yàn)器材，可以利用“虛擬儀器”在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的新方法，Multisim就是一種能夠運(yùn)用這種新方法的軟件。文中簡(jiǎn)要介紹了Multisim的基本功能，重點(diǎn)從仿真設(shè)計(jì)的角度分析了A/D和D/A的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

Multisim；虛擬儀器；A/D轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換

1. Multisim簡(jiǎn)介

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為平臺(tái)的仿真軟件工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的仿真設(shè)計(jì)。它包含電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言的輸入方式，具有豐富的仿真能力分析能力［1］。隨著科技的發(fā)展，Multisim不斷的更新和升級(jí)，功能更加完善。

本次仿真電路使用的是Multisim10.0，其特點(diǎn)有：（1）多功能：元器件的編輯、取用；電路圖的編輯繪制；電路圖的報(bào)表輸出、打印；電路的特性分析、電路的工作狀況測(cè)試；檔案的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出。（2）具有龐大的元器件庫(kù)。該軟件具有1600多種元件模型，具備如信號(hào)源、基本元器件、模擬數(shù)字集成電路、指示器件、控制部件、機(jī)電部件等各種元器件［2］。（3）具有強(qiáng)大的仿真分析能力。仿真分析是估算電路特性的一種數(shù)學(xué)方法。不必構(gòu)造具體的物理電路，也不必使用實(shí)際的測(cè)試儀器，通過(guò)簡(jiǎn)便的構(gòu)建虛擬電路進(jìn)行仿真分析，就可以基本確定電路的工作性能。（4）具有豐富的測(cè)試儀器。提供了多種常用的虛擬儀器進(jìn)行電路動(dòng)作的測(cè)量，它們的設(shè)置、使用和讀數(shù)與實(shí)際的測(cè)量?jī)x表類似。

2. Multisim在A/D轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

2.1A/D轉(zhuǎn)換的原理和種類

A/D轉(zhuǎn)換指的是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。以下為幾種常見(jiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器：（1）積分型。將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度信號(hào)）或頻率（脈沖頻率），然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是利用簡(jiǎn)單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率極低，由于其轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間。（2）逐次逼近型。通過(guò)將輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采用的值經(jīng)比較器與多個(gè)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓分別進(jìn)行比較，經(jīng)多次比較逼近而輸出數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辨率（＜12位）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（＞12位）時(shí)價(jià)格很高。并且由于要求位數(shù)太多，連線太多影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且成本較高［3］。（3）并行比較型。并行比較型A/D采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱FLash（快速）型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，轉(zhuǎn)換位數(shù)越高所需要的比較器將會(huì)隨之增加，但在電路中比較器的數(shù)量能常是在一定數(shù)量范圍內(nèi)的，因此其比較器的數(shù)量要小于所需要的數(shù)量，這就無(wú)形間減小了其精度，除此之外該電路規(guī)模大，成本高。

2.2A/D轉(zhuǎn)換的仿真及分析

圖1 A/D轉(zhuǎn)換仿真圖

如圖1所示，為了形象的顯示A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，在輸入端加上一個(gè)XFG1的函數(shù)發(fā)生器，設(shè)置函數(shù)發(fā)生器以產(chǎn)生一個(gè)振幅為6V的正弦波作為輸入信號(hào)，隨著運(yùn)行開(kāi)始，由于正弦波的電壓在不斷變化，將看到指示燈的狀態(tài)隨著正弦波電壓變化而變化，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)分析，結(jié)果正確。

表1 A/D轉(zhuǎn)換仿真圖數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

3. Multisim在D/A轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

3.1D/A轉(zhuǎn)換的原理和種類

D/A轉(zhuǎn)換指的是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。以下為幾種常見(jiàn)的D/A轉(zhuǎn)換器：（1）電壓輸出型。電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負(fù)載，由于無(wú)輸出放大器部分的延遲，故常作為高速D/A轉(zhuǎn)換器使用。（2）電流輸出型。電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器很少直接利用電流輸出，大多外利用接電流—電壓轉(zhuǎn)換電路而得到電壓輸出。（3）乘算型。D/A轉(zhuǎn)換器在基準(zhǔn)電壓輸入上加交流信號(hào)，能得到數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出，因而稱為乘算型D/A轉(zhuǎn)換器。乘算型D/A轉(zhuǎn)換器不僅可以進(jìn)行乘法運(yùn)算，而且可以作為使輸入信號(hào)數(shù)字化地衰減的衰減器及對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器使用。

3.2D/A轉(zhuǎn)換的仿真圖及分析

圖2 D/A轉(zhuǎn)換仿真圖

圖2所示采用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換仿真圖中，將四個(gè)單刀雙擲按照二進(jìn)制自然碼順序開(kāi)關(guān)，使得每個(gè)開(kāi)關(guān)都在運(yùn)算放大器的正極和負(fù)極間切換，通過(guò)萬(wàn)用表觀察輸出電壓，測(cè)試結(jié)果如表2所示。根據(jù)表格所測(cè)數(shù)據(jù)可知，輸出電壓符合D/A轉(zhuǎn)換公式為：

數(shù)據(jù)在誤差允許的范圍內(nèi)。

表2 D/A轉(zhuǎn)換仿真圖數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

4. 結(jié)束語(yǔ)

隨著A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，相應(yīng)的仿真測(cè)試將會(huì)劇增，Multisim在開(kāi)發(fā)電路的前期將會(huì)起著不可或缺的作用，有利于降低開(kāi)發(fā)成本，降低風(fēng)險(xiǎn)性，提高開(kāi)發(fā)效率。

［1］黃菊.基于共發(fā)射極電路Multisim仿真教學(xué)的好處研究［J］.中國(guó)電子商務(wù)，2013（17）：140-142.

［2］彭晗，楊奕琦.Multisim 10仿真技術(shù)在《模擬電路與數(shù)字電路》教學(xué)中應(yīng)用研究［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2008（14）：95—100.

［3］張多納，劉安.高精度A/D轉(zhuǎn)換器［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2015（20）：125.

江西省教育廳教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)JXJG-14-17-12），九江學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)XJJGYB-16-14）。

羅泉，九江學(xué)院電子工程學(xué)院A1332班學(xué)生。

劉澤良（1980—），男，湖北大悟人，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、信息處理研究和教學(xué)。