• 3月 2022
    卷 56

学子专区—ADALM2000实验：数模转换

Andreea Pop, Antoniu Miclaus, 和 Doug Mercer 下载 PDF

R-2R梯形电阻数模转换器(DAC)

目标

本实验的目标是探讨数模转换的概念，将CMOS反相器用作梯形电阻分压器的基准开关（用于DAC中）。

背景信息

我们将简单的CMOS反相器逻辑门用作一对开关。 ADALM2000 的标准CMOS分压器（推挽模式）。采用最简单的形式，CMOS输出可以由一个PMOS器件M1和一个NMOS器件M2组成。通常，CMOS制造工艺经过特别设计，使得NMOS和PMOS器件的阈值电压VTH大致相等——即互补。然后，反相器的设计人员调整NMOS和PMOS器件的宽长比W/L，使其各自的跨导和RON也相等。两个晶体管中，只有一个处于导通状态，同时将输出端连接到VDD或VSS。我们可以考虑将这两个电压用作DAC的基准电压源。

Figure 1. CMOS output driver.
图1.CMOS输出驱动器。

在 “电压模式”中使用R-2R梯形电阻（如图2所示）,根据数字码交替驱动到两个基准电压电平中的任一个(D0-7)。数字0表示VREF–，数字1表示VREF+。根据数字输入码，VLADDER（图2）将在两个基准电平之间变化。两个基准电压的负基准电压(VREF–)通常为地电压(VSS)。在本例中，我们将正基准电压(VREF+)设置为CMOS驱动器的正电源电压(VDD)。

材料

  • ADALM2000主动学习模块
  • 无焊面包板
  • 跳线
  • 9个20 kΩ电阻
  • 9个10 kΩ电阻
  • 一个 OP27 放大器

说明

最好在无焊试验板上构建图2所示的8位梯形电阻电路。模拟部件套件(ADALP2000)中提供的电阻数量通常不足以构建完整的8位梯形电阻。如果可以获得这些电阻，此项目最好使用1%的电阻。

将用蓝色框表示的8个数字输出、示波器通道和用绿色框表示的AWG输出连接到梯形电阻电路中，如图所示。注意将电源连接到运算放大器电源引脚。

Figure 2. R-2R resistor ladder circuit.
图2.R-2R梯形电阻网络电路

硬件设置

Figure 3. R-2R resistor ladder circuit breadboard connections.
图3.R-2R梯形电阻网络电路试验板连接

程序步骤

当安装R1和R2时，设置AWG1的直流电压与DAC的VREF+相等，即等于CMOS数字输出的3.3 V电源电压。此时输出电压为双极性，其摆幅为-3.3 V至+3.3 V。断开AWG1并移除电阻R1，输出电压为单极性，摆幅为0 V至+3.3 V。启动Scopy软件。打开模式发生器界面。选择DIO0至DIO7，并组成一个分组。设置参数，将模式设置为二进制计数器。输出设置为推挽输出（PP），频率设置为256 kHz。此时能看到类似图4所示的内容。最后，点击运行按钮。

Figure 4. The Pattern Generator screen.
图4.模式发生器界面。

打开示波器界面，开启通道2，并将时基设置为200μs/div，点击绿色运行按钮开始运行。有时可能还需要调整通道的垂直范围（初始条件下，1 V/div比较合适）。通过示波器界面能看到（如图4所示）电压从0 V上升到3.3 V，斜坡信号的周期应为1 ms。

Figure 5. The Scope screen.
图5.示波器界面。

改变数字模式。尝试随机模式，并打开示波器上的FFT窗口。您还可以通过生成具有一列0到255（对于8位宽总线）数字的纯文本.csv文件，来加载自定义模式。加载自定义模式，看看会出现什么情况。

您可以尝试加载以下这些预制波形文件：正弦、三角、高斯脉冲等：waveforms_pg。

AD5626 12位 nanoDAC

背景信息

AD5626 是一款可以使用5 V单电源供电的电压输出DAC。它集成了DAC、输入移位寄存器和锁存、基准电压源以及一个轨到轨输出放大器。输出放大器摆幅可达到任一供电轨，且设置范围为0 V至4.095 V，分辨率为每位1 mV。该器件采用高速、三线式、兼容数据输入(SDIN)的DSP、时钟(SCLK)和负载选通(LDAC)的串线接口。它还有芯片选择引脚，可连接多个DAC。上电时或用户要求时，CLR输入可将输出设置为零电平。

Figure 6. A functional block diagram of the AD5626.
图6.AD5626的简化功能框图。

除1位DAC寄存器外，AD5626还有一个独立的串行输入寄存器，新数据值可以预载到该串行寄存器中，而不会干扰现有DAC输出电压。通过选通LDAC引脚，可以将加载值传输到DAC寄存器。

单极性输出操作

这种操作模式是AD5626的基本模式。您可以根据DAC的单极性代码表验证AD5626的功能是否正常。

表1.AD5626的单极性代码表
DAC寄存器中的十六进制数 DAC寄存器中的十进制数 模拟输出电压(V)
FFF 4095 4.095
801 2049 2.049
800 2048 2.048
7FF 2047 2.047
000 0 0

材料

  • ADALM2000主动学习模块
  • 无焊面包板
  • 跳线
  • 一个AD5626 12位 nanoDAC®
  • 一个2.2 kΩ电阻
  • 一个0.001 μF电容
  • 一个0.1 μF电容
  • 一个10 μF电容

硬件设置

如图7所示连接AD5626的引脚。

Figure 7. Connections for unipolar operation of the AD5626.
图7.AD5626实现单极性操作的连接。

程序步骤

打开Scopy，使能正电源为5 V。在模式发生器中，根据数据手册中AD5626的时序图配置DAC输入信号。从配置SPI信号开始。使用DIO0、DIO1和DIO2创建通道组。如果连接如图7所示，则DIO1表示时钟信号，DIO2表示数据信号，DIO0表示CS信号。在进行SPI分组时，确保数字通道的顺序是正确的（参见图10）。数据手册中指明，高电平和低电平状态下的时钟宽度应达到至少30 ns。由此可计算时钟周期，进而计算最大频率。将时钟频率设为1 MHz。将CLK极性和CLK相位设为1。

由于AD5626是12位DAC，因此通过SPI发送的数据长度应至少为12位。将每帧的字节数设为2，在转换开始时，它会发送16位。在数据文本框中，您可以输入将发送至DAC的值。SPI组通道的信号应类似于AD5626 DAC的时序图。

Figure 8. AD5626 breadboard connections.
图8.AD5626试验板连接。
Figure 9. AD5626 SPI timing diagram.
图9.AD5626 SPI时序图。

现在，您应该配置LDAC和CLR信号。从数据手册中，我们得知在CLR处于高电平时，移位寄存器的内容会在LDAC的上升沿更新。将DIO4 (CLR)的模式设置为“数值”，输入数值1。只要位是串行传输，LDAC信号(DIO3)的CS下降沿之前应该有一个上升沿，且应处于高电平。为了满足上述条件，DIO3信号可以设置为采用13 kHz频率和160°相位。AD5626数模转换所需的所有输入信号如图9所示。

Figure 10. Pattern Generator signals setup.
图10.模式发生器信号设置。

最后一步是在Scopy中打开示波器，将通道1连接到AD5626的输出端。启用通道1测量，并在SPI的“数据”区域输入一个值。如果通过SPI发送的数据为7FF，在图11中，您可以查看相应的输出电压。

Figure 11. AD5626 output voltage for 7FF input.
图11.输入为7FF时，AD5626的输出电压。

双极性输出操作

虽然AD5626设计用于单电源操作，但使用图12所示的电路也可以实现双极性操作。

Figure 12. Bipolar output operation without trim (circuit suggested in the data sheet).
图12.双极性输出操作，未经调节（数据手册中建议的电路）。

此电路可用于不需要高精度的应用。输出电压以偏移二进制格式编码，由以下公式给出：

Equation 1

在输出范围为±5 V，采用图12中的表所示的电路值时，转换公式变为：

Equation 2

材料

  • ADALM2000主动学习模块
  • 无焊面包板
  • 跳线
  • 一个AD5626 12位 nanoDAC
  • 一个 OP484 运算放大器
  • 一个0.1 μF电容
  • 一个1 kΩ电阻
  • 一个20 kΩ电阻
  • 两个10 kΩ电阻
  • 一个47 kΩ电阻
  • 一个470 kΩ电阻
Figure 13. AD5626 bipolar output operation breadboard connections.
图13.AD5626双极性输出操作试验板连接

硬件设置

在无焊试验板上构建图12所示的电路。

程序步骤

您可以将DAC配置为单极性输出操作，如图7所示。对于基准电压，使用信号发生器的通道1，设置为恒定2.5 V。在示波器的第二个通道上，可显示运算放大器输出端的电压。您可以在示波器上同时显示单极性操作和双极性操作的电压。

Figure 14. Unipolar and bipolar output voltages for 000 input.
图14.000输入的单极性和双极性输出电压。
Figure 15. Unipolar and bipolar output voltages for 800 input.
图15.800输入的单极性和双极性输出电压。
Figure 16. Unipolar and bipolar output voltages for FFF input.
图16.FFF输入的单极性和双极性输出电压。

问题：

1. 使用欧姆定律和并联电阻公式，当输入D7和D6连接到接地和3.3 V的每个组合时，R-2R DAC的输出电压是多少？请将结果以表格形式呈现。

您可以在 学子专区 论坛上找到答案。

作者

Andreea Pop

Andreea Pop

Andreea Pop自2019年起担任ADI公司的系统设计/架构工程师。她毕业于克卢日-纳波卡理工大学，获电子与通信学士学位和集成电路与系统硕士学位。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作，最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献，AD783就是其中一款。自2009年起，他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员，最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人，从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。