淺談Multisim在A/D與D/A轉換中的應用

九江學院電子工程學院 羅 泉 劉澤良

淺談Multisim在A/D與D/A轉換中的應用

九江學院電子工程學院 羅 泉 劉澤良

隨著數字信號處理和集成電路的發展，數字電路處理模擬信號的情況越來越普遍，這種信號處理最重要的步驟就是實現A/D與D/A的轉換。設計過程中，為了避免實際操作的繁瑣，同時節約實驗器材，可以利用“虛擬儀器”在計算機上進行電子電路設計實驗的新方法，Multisim就是一種能夠運用這種新方法的軟件。文中簡要介紹了Multisim的基本功能，重點從仿真設計的角度分析了A/D和D/A的簡單應用。

Multisim；虛擬儀器；A/D轉換；D/A轉換

1. Multisim簡介

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

本次仿真電路使用的是Multisim10.0，其特點有：（1）多功能：元器件的編輯、取用；電路圖的編輯繪制；電路圖的報表輸出、打??；電路的特性分析、電路的工作狀況測試；檔案的轉入、轉出。（2）具有龐大的元器件庫。該軟件具有1600多種元件模型，具備如信號源、基本元器件、模擬數字集成電路、指示器件、控制部件、機電部件等各種元器件［2］。（3）具有強大的仿真分析能力。仿真分析是估算電路特性的一種數學方法。不必構造具體的物理電路，也不必使用實際的測試儀器，通過簡便的構建虛擬電路進行仿真分析，就可以基本確定電路的工作性能。（4）具有豐富的測試儀器。提供了多種常用的虛擬儀器進行電路動作的測量，它們的設置、使用和讀數與實際的測量儀表類似。

2. Multisim在A/D轉換中的應用

2.1A/D轉換的原理和種類

A/D轉換指的是將模擬信號轉換成數字信號。以下為幾種常見的A/D轉換器：（1）積分型。將輸入電壓轉換成時間（脈沖寬度信號）或頻率（脈沖頻率），然后由定時器/計數器獲得數字值。其優點是利用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是轉換速率極低，由于其轉換精度依賴于積分時間。（2）逐次逼近型。通過將輸入的模擬信號進行采樣，并將采用的值經比較器與多個經過D/A轉換器的參考電壓分別進行比較，經多次比較逼近而輸出數字值。其優點是速度較高、功耗低，在低分辨率（＜12位）時價格便宜，但高精度（＞12位）時價格很高。并且由于要求位數太多，連線太多影響系統的穩定性，且成本較高［3］。（3）并行比較型。并行比較型A/D采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash（快速）型。由于轉換速率極高，轉換位數越高所需要的比較器將會隨之增加，但在電路中比較器的數量能常是在一定數量范圍內的，因此其比較器的數量要小于所需要的數量，這就無形間減小了其精度，除此之外該電路規模大，成本高。

2.2A/D轉換的仿真及分析

圖1 A/D轉換仿真圖

如圖1所示，為了形象的顯示A/D轉換器的轉換狀態，在輸入端加上一個XFG1的函數發生器，設置函數發生器以產生一個振幅為6V的正弦波作為輸入信號，隨著運行開始，由于正弦波的電壓在不斷變化，將看到指示燈的狀態隨著正弦波電壓變化而變化，部分測試數據如表1所示。經過檢驗分析，結果正確。

表1 A/D轉換仿真圖數據測試結果

3. Multisim在D/A轉換中的應用

3.1D/A轉換的原理和種類

D/A轉換指的是將數字信號轉換成模擬信號。以下為幾種常見的D/A轉換器：（1）電壓輸出型。電壓輸出型D/A轉換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內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載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速D/A轉換器使用。（2）電流輸出型。電流輸出型DA轉換器很少直接利用電流輸出，大多外利用接電流—電壓轉換電路而得到電壓輸出。（3）乘算型。D/A轉換器在基準電壓輸入上加交流信號，能得到數字輸入和基準電壓輸入相乘的結果而輸出，因而稱為乘算型D/A轉換器。乘算型D/A轉換器不僅可以進行乘法運算，而且可以作為使輸入信號數字化地衰減的衰減器及對輸入信號進行調制的調制器使用。

3.2D/A轉換的仿真圖及分析

圖2 D/A轉換仿真圖

圖2所示采用倒T形電阻網絡的D/A轉換仿真圖中，將四個單刀雙擲按照二進制自然碼順序開關，使得每個開關都在運算放大器的正極和負極間切換，通過萬用表觀察輸出電壓，測試結果如表2所示。根據表格所測數據可知，輸出電壓符合D/A轉換公式為：

數據在誤差允許的范圍內。

表2 D/A轉換仿真圖數據測試結果

4. 結束語

隨著A/D和D/A轉換器的發展，相應的仿真測試將會劇增，Multisim在開發電路的前期將會起著不可或缺的作用，有利于降低開發成本，降低風險性，提高開發效率。

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

［2］彭晗，楊奕琦.Multisim 10仿真技術在《模擬電路與數字電路》教學中應用研究［J］.中國高新技術企業，2008（14）：95—100.

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

江西省教育廳教學改革項目（項目編號JXJG-14-17-12），九江學院教學改革項目（項目編號XJJGYB-16-14）。

羅泉，九江學院電子工程學院A1332班學生。

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