1.引言

隨著數字技術，特別是計算機技術的飛速發展與普及，在現代控制、通信及檢測領域中，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字信號之間起轉換作用的電路--模數轉換器和數模轉換器。A/D D/A轉換器在電子線路中的應用十分廣泛，它溝通了整個電子領域中的模擬域和數字域。但在A/DD/A轉換器的實驗教學過程中，由于受傳統實驗設備的限制，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，它克服了傳統電子元器件、儀器設備的限制，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，本文利用其瞬態分析功能，在A/D和D/A轉換電路的仿真與分析中，很好地捕捉和展現出各種時域暫態的數字信號和相應模擬電壓波形，能幫助學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轉換電路基本原理

（1）AD轉換電路基本原理

A/D轉換器是用來將模擬信號轉換成一組相應的二進制數字量輸出。圖1為8位逐次比較型A/D轉換器框圖。它由控制邏輯電路、數據寄存器、移位寄存器、D/A轉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,該數字經數據寄存器送入D/A轉換器。輸入模擬電壓Vi首先與10000000所對應的電壓Vref/2相比較，如果Vi>=Vref/2,則比較器輸出為1,否則輸出為0,此結果存于數據寄存器的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,則數據寄存器的D6存1,否則存0……依此類推，逐次比較得到輸出數字量為止，這就是8位逐次比較型A/D轉換器的基本工作原理。

輸出數字量與輸入模擬量之間的一般關系式為：

（2）DA轉換電路基本原理

將數字信號轉換為模擬信號的過程稱為D/A轉換。實現D/A軟的的器件稱為D/A轉換器，簡稱DAC,其框圖如圖2所示。

圖2中，輸入數字量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系式為：

實現D/A轉換的過程是將輸入二進制數中為1的每1位代碼按其權的大小，轉換成模擬量，然后將這些模擬量相加，相加的結果就是與數字量成正比的模擬量。這就是組成D/A轉換器的指導思想。

3.AD/DA轉換電路的仿真與分析

（1）AD轉換電路的仿真與分析

A/D轉換電路原理圖如圖3所示：

由圖3和圖4可知，在A/D轉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。經過A/D器轉換之后得到一個12位的數字總線，其數值大小正好與模擬信號VI的幅度值對應，即準確實現了模擬信號到數字信號的轉換過程。

（2）DA轉換電路的仿真與分析

D/A轉換電路原理圖如圖5所示：

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

（3）AD/DA轉換電路的聯合仿真與分析

A/D D/A轉換電路原理圖如圖7所示：

A/D D/A轉換電路仿真波形圖如圖8所示：

由圖7可知在A/D轉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A/D轉換器轉換之后輸出12位的數字信號D[11:0],然后再把這12位的數字信號作為下一級D/A轉換器的輸入信號輸入，經D/A轉換之后輸出對應的模擬信號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A/DD/A轉換器作用之后的模擬信號波形VO與轉換之前的正弦模擬信號VI基本一致。即準確的實現了整個模數和數模轉換過程。

4.總結

A/D D/A轉換器的輸出結果值與輸入值之間往往會存在誤差，當轉換精度越高，即數字信號的轉換位數越寬，則轉換誤差越小。實際應用中，往往在D/A轉換器的輸出端加一低通濾波電路對數模轉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。結果證明，該方案解決了以往受傳統實驗儀器設備限制而難以驗證的問題，具有較大的實用性。