接口電路仿真的算法分析及實(shí)現(xiàn)

接口電路仿真的算法分析及實(shí)現(xiàn)引言系統(tǒng)仿真是近30年才發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，它通過(guò)對(duì)所研究系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與了解，抽取其中的基本要素，建立與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的仿真模型，并通過(guò)系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)已經(jīng)存在的或者正在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的過(guò)程。Matlab是一種功能強(qiáng)大的的仿真工具，它包括眾多的功能各異的工具箱、以矩陣與數(shù)組為基本單位的編程語(yǔ)言，為數(shù)學(xué)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供了極大的便利。Siumlink是MATLAB的一個(gè)共生產(chǎn)品，包括豐富的模塊資源與工具箱資源，具有相對(duì)獨(dú)立的功能與使用方法，提供了建模、分析與仿真各種動(dòng)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(guò)改變仿真參數(shù)，得到不同參數(shù)的仿真結(jié)果。結(jié)合MATLAB與Simulin的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)各種電路的仿真。在構(gòu)建仿真電路時(shí)，有些可以直接調(diào)用Simulink模塊，有些用Simulink模塊難以實(shí)現(xiàn)的，可以通過(guò)編寫(xiě)Simulink支持的S函數(shù)來(lái)完成。對(duì)于比較復(fù)雜的仿真電路，可以采用Simulink模塊調(diào)用與編程混合的方式實(shí)現(xiàn)。本文所實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真就是采用Simulink模塊調(diào)用與MATLAB編程混合的方式。A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真A/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(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，以便于數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，模/數(shù)轉(zhuǎn)換一般要完成采樣、量化與編碼等幾個(gè)過(guò)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(shí)值來(lái)代表這個(gè)連續(xù)的模擬量。為了保證采樣信號(hào)不丟失的信息，即采樣后的離散信號(hào)能代替或能恢復(fù)原來(lái)的連續(xù)信號(hào)，采樣必須遵循采樣定理，即對(duì)信號(hào)采樣時(shí)，采樣頻率必須大于或等于信號(hào)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(shí)際上，在量化過(guò)程中是將樣本的幅值范圍分為若干個(gè)量化層，每一個(gè)量化層對(duì)應(yīng)一個(gè)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)。采樣功能的實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換就是一個(gè)量化的過(guò)程，它把采樣后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。在實(shí)際工作中，A/D轉(zhuǎn)換首先要選定一個(gè)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(shí)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(guò)編寫(xiě)Simulink支持的S函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。S函數(shù)有固定的程序格式，S函數(shù)的實(shí)現(xiàn)包括初始化、連續(xù)狀態(tài)微分、計(jì)算輸出與仿真終止?？梢杂肕ATLAB語(yǔ)言可以編寫(xiě)S函數(shù)，也可以使用C語(yǔ)言、C++與Fortran等語(yǔ)言編寫(xiě)。S函數(shù)使用一種特殊調(diào)用規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與Simulink的內(nèi)部解法器進(jìn)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(kù)中，通過(guò)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(xiě)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(hào)周期為2,編寫(xiě)了4個(gè)S函數(shù)，分別為sf_ad4、sf_ad8、sf_ad16、sf_ad32,對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間分別為0.5、0.25、0.125、0.0625，即采樣頻率分別是信號(hào)最高頻率的四倍、八倍、十六倍與三十二倍。下面以sf_ad32函數(shù)為例，說(shuō)明其算法及實(shí)現(xiàn)程序。首先，設(shè)模擬信號(hào)是周期為2的Sine波，且用連續(xù)的時(shí)間函數(shù)f（t）表示，采樣就是周期地取f（t）的瞬時(shí)值。根據(jù)采樣定理，對(duì)每個(gè)周期的模擬信號(hào)采樣32次，則采樣的時(shí)間就為0.0625(2/32)的倍數(shù)。完成一個(gè)周期的采樣時(shí)間為0.0625*n(0<=32，n為整數(shù)),延時(shí)為0。采樣后將相應(yīng)值輸出，但信號(hào)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(guò)程為量化。在量化過(guò)程中是將樣本的幅值范圍分為若干個(gè)量化層，每一個(gè)量化層對(duì)應(yīng)一個(gè)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(shí)例中，采用4位編碼，則有24=16個(gè)量化層。在編碼過(guò)程中采用從1000到0111的編碼，來(lái)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)switchflag,case0,[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;case9,sys=[];otherwiseerror([unhandleflag=,num2str(flag)]);endfunction[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizessizes=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=[0.062500.12500.0625*300.2500.0625*31020];functionsys="mdlUpdate"(t,x,u)sys=x;functionsys="mdlOutput"(t,x,u)sys=u;其中,sys依照f(shuō)lag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(gè)空矩陣，ts采用兩列的矩陣來(lái)設(shè)置采樣時(shí)間與延遲，sf_ad4是S函數(shù)的函數(shù)名，1為目前仿真中的實(shí)現(xiàn)時(shí)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(lèi)似于sf_ad4,不同的就是采樣時(shí)間的個(gè)數(shù)與ts的采樣時(shí)間與延遲矩陣。調(diào)用S函數(shù)時(shí)首先將所需的S函數(shù)模塊拖入調(diào)用模塊(Simulink->User-DefinedFunctions->S-Function)并設(shè)置S函數(shù)的參數(shù)，參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框如圖1所示。Bl*el[Fwr I1果耶川同州用% 星皿V■帽”**口41*blfslEFlw匕anyb? i2I）售ArAfifcsad+口1，*la訕常3,爵訃mdu**tmd-flitwi叱，illrtoIM 皿b，5iEink"Tictri"pu-faHh*an??[■■iTfi?14F*rVB-a^trsFEixnEwn?*一-Gkfuam標(biāo)WttE；「?… IDR]匚孫"!■ |圖1S函數(shù)的調(diào)用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(hào)發(fā)生器”模塊、“選擇采

樣函數(shù)1?4”模塊、“結(jié)果顯示”模塊與“A/D轉(zhuǎn)換電路”子

第6頁(yè)系統(tǒng)組成，如圖2所示?！斑x擇采樣函數(shù)1?4”模塊是選擇采樣頻率，構(gòu)建過(guò)程為:在Matlab的命令窗口中輸入命令Simulink打開(kāi)SimnlinkLibraryBrowser子窗口，選中左邊目錄欄中的Simulink庫(kù)后單擊子目錄Sources,右邊的子窗口顯示相應(yīng)的Sources庫(kù)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的編號(hào)1?4?！澳M信號(hào)發(fā)生器”模塊與“結(jié)果顯示”模塊通過(guò)直接調(diào)用模擬信號(hào)發(fā)生器與示波器構(gòu)建。"A/D轉(zhuǎn)換電路”子系統(tǒng)內(nèi)部主要是由1個(gè)選擇開(kāi)關(guān)與四個(gè)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(gè)選擇開(kāi)關(guān)，拖入四個(gè)S函數(shù)，把選擇開(kāi)關(guān)與四個(gè)S函數(shù)相連。

TOTO圖2"A/D轉(zhuǎn)換”仿真系統(tǒng)的主界面A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真結(jié)果運(yùn)行仿真電路時(shí)，由“模擬信號(hào)發(fā)生器”模塊產(chǎn)生各種模擬輸入信號(hào)，通過(guò)“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(shí)間為0.0625,選定輸入信號(hào)分別為正弦波與隨機(jī)波。運(yùn)行此仿真系統(tǒng)后的結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3輸入信號(hào)為正弦波的運(yùn)行結(jié)果圖4

輸入信號(hào)為隨機(jī)波的運(yùn)行結(jié)果3結(jié)^語(yǔ)本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：由于Simulink的模塊庫(kù)中