1 引言

　　系統(tǒng)仿真" title="仿真">仿真是近30年才發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它通過對所研究系統(tǒng)的認(rèn)識和了解,，抽取其中的基本要素,，建立與現(xiàn)實系統(tǒng)相對應(yīng)的仿真模型，并通過系統(tǒng)模型實驗去研究一個已經(jīng)存在的或者正在設(shè)計的系統(tǒng)的過程,。Matlab是一種功能強大的的仿真工具,，它包括眾多的功能各異的工具箱、以矩陣和數(shù)組為基本單位的編程語言，為數(shù)學(xué)計算和試驗數(shù)據(jù)分析提供了極大的便利,。Siumlink是MATLAB的一個共生產(chǎn)品,，包括豐富的模塊資源和工具箱資源，具有相對獨立的功能和使用方法,，提供了建模,、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境，建立仿真模型后可以很容易地通過改變仿真參數(shù),，得到不同參數(shù)的仿真結(jié)果,。結(jié)合MATLAB 和Simulin的特點,，可以實現(xiàn)各種電路的仿真,。

　　在構(gòu)建仿真電路時，有些可以直接調(diào)用Simulink模塊,，有些用Simulink模塊難以實現(xiàn)的,，可以通過編寫Simulink 支持的S函數(shù)來完成。對于比較復(fù)雜的仿真電路,，可以采用Simulink模塊調(diào)用和編程混合的方式實現(xiàn),。本文所實現(xiàn)的A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換電路" title="轉(zhuǎn)換電路">轉(zhuǎn)換電路的仿真就是采用 Simulink模塊調(diào)用和MATLAB編程混合的方式。

　　2 A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真

　　2.1A/D轉(zhuǎn)換電路的的仿真

　　模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是將連續(xù)變換的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號,，以便于數(shù)字系統(tǒng)進行處理,，模/數(shù)轉(zhuǎn)換一般要完成采樣、量化和編碼等幾個過程,。

　　采樣是在連續(xù)變化的模擬量上按一定的規(guī)律（周期地）取出其中的某一些瞬時值來代表這個連續(xù)的模擬量,。為了保證采樣信號不丟失的信息，即采樣后的離散信號能代替或能恢復(fù)原來的連續(xù)信號,，采樣必須遵循采樣定理,，即對信號采樣時，采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的兩倍,。

　　量化就是將f(nT)的所有值映射到數(shù)字量所表示的狀態(tài)上,。實際上，在量化過程中是將樣本的幅值范圍分為若干個量化層,，每一個量化層對應(yīng)一個量化輸出,，所有落于該量化層內(nèi)的樣本都統(tǒng)一取該量化輸出值。量化層的數(shù)目與量化后編碼的位數(shù)有關(guān),。

　　2.1.1 采樣功能的實現(xiàn)

　　A/D轉(zhuǎn)換就是一個量化的過程,，它把采樣后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。在實際工作中,，A/D轉(zhuǎn)換首先要選定一個合適的編碼方案,，然后根據(jù)編碼的位數(shù)確定量化層，從而確定采樣頻率。實現(xiàn)仿真電路的關(guān)鍵是采樣模塊的構(gòu)建,，由于Simulink的模塊難以構(gòu)建采樣功能,，采樣模塊主要是通過編寫Simulink支持的S函數(shù)實現(xiàn)的。S函數(shù)有固定的程序格式,，S函數(shù)的實現(xiàn)包括初始化,、連續(xù)狀態(tài)微分、計算輸出和仿真終止,?？梢杂肕ATLAB語言可以編寫S函數(shù)，也可以使用C 語言,、C++和Fortran 等語言編寫,。S函數(shù)使用一種特殊調(diào)用規(guī)則來實現(xiàn)用戶與Simulink的內(nèi)部解法器進行交互，并且這種交互可以適用于不同性質(zhì)的系統(tǒng),。S函數(shù)模塊存放在 Functions&Tables模塊庫中,通過此模塊可以創(chuàng)建包含S函數(shù)的Simulink模塊,。S函數(shù)文件名區(qū)域要填寫S函數(shù)的文件名。S函數(shù)參數(shù)區(qū)填入S函數(shù)所需要的參數(shù),。

　　本系統(tǒng)假定輸入的模擬信號周期為2,，編寫了4個S函數(shù)，分別為sf_ad4,、sf_ad8,、sf_ad16、sf_ad32,，對應(yīng)的采樣時間分別為 0.5,、0.25、0.125,、0.0625,，即采樣頻率分別是信號最高頻率的四倍、八倍,、十六倍和三十二倍,。下面以sf_ad32函數(shù)為例，說明其算法及實現(xiàn)程序,。

　　首先,，設(shè)模擬信號是周期為2的Sine波，且用連續(xù)的時間函數(shù)f（t）表示,，采樣就是周期地取f（t）的瞬時值,。根據(jù)采樣定理,，對每個周期的模擬信號采樣32次,，則采樣的時間就為0.0625(2/32)的倍數(shù),。完成一個周期的采樣時間為0.0625*n(0<=32，n 為整數(shù)),延時為0,。采樣后將相應(yīng)值輸出,，但信號在量值上仍然是連續(xù)的,，需將f（nT）的所有值映射到數(shù)字量所表示的狀態(tài)上,，這種過程為量化。在量化過程中是將樣本的幅值范圍分為若干個量化層,，每一個量化層對應(yīng)一個量化輸出,，所有落在該量化層內(nèi)的樣本都統(tǒng)一取該量化輸出值。本實例中,，采用4位編碼,，則有 24=16個量化層。在編碼過程中采用從1000到0111的編碼,，來輸出相應(yīng)的量化值,。其源代碼如下:

　　function[sys,x0,str,ts]=sf_ad32(t,x,u,flag)
　　switch flag,
　　　case 0,
　　　　[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
　　　………
　　　case 9,
　　　　sys=[];
　　　otherwise
　　　　error([unhandle flag=,num2str(flag)]);
　　end
　　　function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
　　sizes=simsizes;
　　sizes.NumContStates=0;
　　sizes.NumDiscStates=0;
　　sizes.NumOutputs=1;
　　sizes.NumInputs=1;
　　sizes.DiRFeedthrough=1;
　　sizes.NumSampleTimes=32;
　　sys=simsizes(sizes);
　　x0=[];
　　str=[];
　　ts=[
　　　0.0625 0
　　　0.125 0
　　　0.0625*3 0
　　　0.25 0
　　　………
　　　0.0625*31 0
　　　2 0 ];
　　function sys="mdlUpdate"(t,x,u)
　　sys=x;
　　function sys="mdlOutput"(t,x,u)
　　sys=u;

　　其中,sys依照flag的值返回不同的結(jié)果，x0為初始狀態(tài)值,，str用于設(shè)置輸出矢量為一個空矩陣,，ts采用兩列的矩陣來設(shè)置采樣時間和延遲,，sf_ad4是S函數(shù)的函數(shù)名,，t為目前仿真中的實現(xiàn)時間，x為狀態(tài)矢量,可為空,，u為輸入矢量,，flag為S函數(shù)行為標(biāo)示。

　　sf_ad8,、sf_ad16,、sf_ad32的S函數(shù)類似于sf_ad4，不同的就是采樣時間的個數(shù)和ts的采樣時間和延遲矩陣,。調(diào)用S函數(shù)時首先將所需的S函數(shù)模塊拖入調(diào)用模塊（Simulink->User-Defined Functions->S-Function）并設(shè)置S函數(shù)的參數(shù),，參數(shù)設(shè)置對話框如圖1所示。

　　2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換仿真電路的構(gòu)建

　　A/D轉(zhuǎn)換仿真電路由“模擬信號發(fā)生器”模塊,、“選擇采樣函數(shù)1～4”模塊,、“結(jié)果顯示”模塊和“A/D轉(zhuǎn)換電路”子系統(tǒng)組成，如圖2所示,。

　　“選擇采樣函數(shù)1～4”模塊是選擇采樣頻率,，構(gòu)建過程為：在Matlab的命令窗口中輸入命令Simulink打開Simnlink Library Browser子窗口，選中左邊目錄欄中的Simulink庫后單擊子目錄Sources,，右邊的子窗口顯示相應(yīng)的Sources庫中的模塊集,，選中 Constant常數(shù)模塊并拖入所建的仿真模塊中（簡單表述為Simulink->Sources->Constant，后文同此）,，雙擊此模塊出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置框,，輸入所要選擇函數(shù)對應(yīng)的編號1～4。“模擬信號發(fā)生器”模塊和“結(jié)果顯示”模塊通過直接調(diào)用模擬信號發(fā)生器和示波器構(gòu)建。“A/D轉(zhuǎn)換電路”子系統(tǒng)內(nèi)部主要是由1個選擇開關(guān)和四個S函數(shù)組成,。“采樣電路”子系統(tǒng)的構(gòu)建首先是調(diào)用一般的子系統(tǒng)（Simulink->Ports&Subsystems->Subsystem）,，然后雙擊此子系統(tǒng)，在子系統(tǒng)的內(nèi)部生成1個選擇開關(guān),，拖入四個S函數(shù),，把選擇開關(guān)與四個S函數(shù)相連。

　　2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真結(jié)果

　　運行仿真電路時,，由“模擬信號發(fā)生器”模塊產(chǎn)生各種模擬輸入信號,，通過“選擇采樣函數(shù)1～4”模塊選定采樣頻率，結(jié)果在“結(jié)果顯示”模塊顯示,。
選擇采樣函數(shù)為4,，則A/D轉(zhuǎn)換的采樣時間為0.0625，選定輸入信號分別為正弦波和隨機波,。運行此仿真系統(tǒng)后的結(jié)果如圖3,、圖4所示。

　　3 結(jié)束語

　　本文作者創(chuàng)新點：由于Simulink的模塊庫中,，缺少各種可編程接口芯片模塊,，將Simulink 和MATLAB編程混合應(yīng)用到A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路的仿真,，結(jié)果表明仿真效果良好,。這種方法可以應(yīng)用于多種控制電路、通信電路等系統(tǒng)的仿真中,。仿真電路的工作過程類似于真實的硬件,，而且更便宜、更靈活,，也很容易進行恢復(fù),，避免了操作錯誤造成的損失，按每個單位一年減少五千元計算,，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益,。