采用OrCAD/PSpice软件对AD/DA转换电路进行瞬态分析与仿真分析

1.引言

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，信号的处理无处不在。自然界中的物理量，例如压力、温度、位移、等都是模拟量。

要对这些物理量进行控制和检测，往往需要一种能在模拟信号与数字信号之间起转换作用的电路--模数转换器和数模转换器。A/D D/A转换器在电子线路中的应用十分广泛，它沟通了整个电子领域中的模拟域和数字域。但在A/DD/A转换器的实验教学过程中，由于受传统实验设备的限制，很难对其实际工作过程进行有效的分析与验证。OrCAD/PSpice提供了一个虚拟实验平台，它克服了传统电子元器件、仪器设备的限制，包含非常丰富的电子元器件库，并且提供功能强大的多种仿真分析功能，本文利用其瞬态分析功能，在A/D和D/A转换电路的仿真与分析中，很好地捕捉和展现出各种时域暂态的数字信号和相应模拟电压波形，能帮助学生熟悉和快速掌握先进的电路实验方法和技能。

2.A/D D/A转换电路基本原理

（1）AD转换电路基本原理

A/D转换器是用来将模拟信号转换成一组相应的二进制数字量输出。图1为8位逐次比较型A/D转换器框图。它由控制逻辑电路、数据寄存器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。

电路启动后，第一个CP将移位寄存器置为10000000,该数字经数据寄存器送入D/A转换器。输入模拟电压Vi首先与10000000所对应的电压Vref/2相比较，如果Vi>=Vref/2,则比较器输出为1,否则输出为0,此结果存于数据寄存器的D7位；第二个CP使移位寄存器为01000000.如果最高位已存1,则此时D/A转换器的输出电压Vo'=3Vref/4,Vi再与3Vref/4相比较，如果Vi>=3Vref/4,则次高位D6存1,否则存0;如果最高位为0,则Vo'=3Vref/4,Vi与Vo'

比较，如果Vi>=3Vref/4,则数据寄存器的D6存1,否则存0……依此类推，逐次比较得到输出数字量为止，这就是8位逐次比较型A/D转换器的基本工作原理。

输出数字量与输入模拟量之间的一般关系式为：

（2）DA转换电路基本原理

将数字信号转换为模拟信号的过程称为D/A转换。实现D/A软的的器件称为D/A转换器，简称DAC,其框图如图2所示。

图2中，输入数字量NB为n位二进制代码Dn-1Dn-2…D1D0,Vo为输出模拟量。输出量与输入量之间的一般关系式为：

实现D/A转换的过程是将输入二进制数中为1的每1位代码按其权的大小，转换成模拟量，然后将这些模拟量相加，相加的结果就是与数字量成正比的模拟量。这就是组成D/A转换器的指导思想。

3.AD/DA转换电路的仿真与分析

（1）AD转换电路的仿真与分析

A/D转换电路原理图如图3所示：

由图3和图4可知，在A/D转换器的输入端加一模拟信号，其幅值为2.5V,周期为10us,加上直流偏移量为2.5V的正弦信号。经过A/D器转换之后得到一个12位的数字总线，其数值大小正好与模拟信号VI的幅度值对应，即准确实现了模拟信号到数字信号的转换过程。

（2）DA转换电路的仿真与分析

D/A转换电路原理图如图5所示：

由图5可知，在D/A转换器的输入端加了三个74161十六进制计数器构成一个12位的4096进制计数器。在时钟信号CLK作用下不断完成D/A转换的过程，由图6可看出，在12位递增计数器作用下，D/A转换器的输出了从0V到满量程5V的模拟锯齿波形，即准确实现了数字信号到模拟信号的转换过程。

（3）AD/DA转换电路的联合仿真与分析

A/D D/A转换电路原理图如图7所示：

A/D D/A转换电路仿真波形图如图8所示：

由图7可知在A/D转换器模拟输入端输入一个幅值为2.5V,周期为10us,加上直流偏移量为2.5V的正弦信号VI.经A/D转换器转换之后输出12位的数字信号D[11:0],然后再把这12位的数字信号作为下一级D/A转换器的输入信号输入，经D/A转换之后输出对应的模拟信号VDA,最后再通过一个一阶RC低通滤波器输出平滑的正弦信号VO.由图8可以看出，经A/DD/A转换器作用之后的模拟信号波形VO与转换之前的正弦模拟信号VI基本一致。即准确的实现了整个模数和数模转换过程。

4.总结

A/D D/A转换器的输出结果值与输入值之间往往会存在误差，当转换精度越高，即数字信号的转换位数越宽，则转换误差越小。实际应用中，往往在D/A转换器的输出端加一低通滤波电路对数模转换后的阶梯波形进行滤波处理，使输出波形变得更平滑，以接近实际模拟信号。结果证明，该方案解决了以往受传统实验仪器设备限制而难以验证的问题，具有较大的实用性。