ADALM2000實驗：數(shù)模轉(zhuǎn)換

R-2R梯形電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)

目標(biāo)

本實驗的目標(biāo)是探討數(shù)模轉(zhuǎn)換的概念，將CMOS反相器用作梯形電阻分壓器的基準(zhǔn)開關(guān)（用于DAC中）。

背景信息

我們將簡單的CMOS反相器邏輯門用作一對開關(guān)。ADALM2000模塊的數(shù)字I/O信號可配置為具有+3.3 V電源電壓的標(biāo)準(zhǔn)CMOS分壓器（推挽模式）。采用最簡單的形式，CMOS輸出可以由一個PMOS器件M1和一個NMOS器件M2組成。通常，CMOS制造工藝經(jīng)過特別設(shè)計，使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補。然后，反相器的設(shè)計人員調(diào)整NMOS和PMOS器件的寬長比W/L，使其各自的跨導(dǎo)和RON也相等。兩個晶體管中，只有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時將輸出端連接到VDD或VSS。我們可以考慮將這兩個電壓用作DAC的基準(zhǔn)電壓源。

圖1 CMOS輸出驅(qū)動器 

在 “電壓模式”中使用R-2R梯形電阻（如圖2所示）,根據(jù)數(shù)字碼交替驅(qū)動到兩個基準(zhǔn)電壓電平中的任一個(D0-7)。數(shù)字0表示VREF–，數(shù)字1表示VREF+。根據(jù)數(shù)字輸入碼，VLADDER（圖2）將在兩個基準(zhǔn)電平之間變化。兩個基準(zhǔn)電壓的負基準(zhǔn)電壓(VREF–)通常為地電壓(VSS)。在本例中，我們將正基準(zhǔn)電壓(VREF+)設(shè)置為CMOS驅(qū)動器的正電源電壓(VDD)。 

材料

■   ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

■   無焊面包板

■   跳線

■   9個20 kΩ電阻

■   9個10 kΩ電阻

■   1個OP27放大器 

說明

最好在無焊試驗板上構(gòu)建圖2所示的8位梯形電阻電路。模擬部件套件(ADALP2000)中提供的電阻數(shù)量通常不足以構(gòu)建完整的8位梯形電阻。如果可以獲得這些電阻，此項目最好使用1%的電阻。 

將用藍色框表示的8個數(shù)字輸出、示波器通道和用綠色框表示的AWG輸出連接到梯形電阻電路中，如圖所示。注意將電源連接到運算放大器電源引腳。 

圖2 R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)電路 

硬件設(shè)置

圖3 R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)電路試驗板連接 

程序步驟

當(dāng)安裝R1和R2時，設(shè)置AWG1的直流電壓與DAC的VREF+相等，即等于CMOS數(shù)字輸出的3.3 V電源電壓。此時輸出電壓為雙極性，其擺幅為-3.3 V至+3.3 V。斷開AWG1并移除電阻R1，輸出電壓為單極性，擺幅為0 V至+3.3 V。啟動Scopy軟件。打開模式發(fā)生器界面。選擇DIO0至DIO7，并組成一個分組。設(shè)置參數(shù)，將模式設(shè)置為二進制計數(shù)器。輸出設(shè)置為推挽輸出（PP），頻率設(shè)置為256 kHz。此時能看到類似圖4所示的內(nèi)容。最后，點擊運行按鈕。 

圖4 模式發(fā)生器界面 

打開示波器界面，開啟通道2，并將時基設(shè)置為200μs/div，點擊綠色運行按鈕開始運行。有時可能還需要調(diào)整通道的垂直范圍（初始條件下，1 V/div比較合適）。通過示波器界面能看到（如圖4所示）電壓從0 V上升到3.3 V，斜坡信號的周期應(yīng)為1 ms。 

圖5 示波器界面 

改變數(shù)字模式。嘗試隨機模式，并打開示波器上的FFT窗口。您還可以通過生成具有一列0到255（對于8位寬總線）數(shù)字的純文本.csv文件，來加載自定義模式。加載自定義模式，看看會出現(xiàn)什么情況。 

您可以嘗試加載以下這些預(yù)制波形文件：正弦、三角、高斯脈沖等：waveforms_pg。 

AD5626 12位nanoDAC

背景信息

AD5626是一款可以使用5 V單電源供電的電壓輸出DAC。它集成了DAC、輸入移位寄存器和鎖存、基準(zhǔn)電壓源以及一個軌到軌輸出放大器。輸出放大器擺幅可達到任一供電軌，且設(shè)置范圍為0 V至4.095 V，分辨率為每位1 mV。該器件采用高速、三線式、兼容數(shù)據(jù)輸入(SDIN)的DSP、時鐘(SCLK)和負載選通的串線接口。它還有芯片選擇引腳，可連接多個DAC。上電時或用戶要求時，CLR輸入可將輸出設(shè)置為零電平。 

圖6 AD5626的簡化功能框圖 

除1位DAC寄存器外，AD5626還有一個獨立的串行輸入寄存器，新數(shù)據(jù)值可以預(yù)載到該串行寄存器中，而不會干擾現(xiàn)有DAC輸出電壓。通過選通LDAC引腳，可以將加載值傳輸?shù)紻AC寄存器。 

單極性輸出操作

這種操作模式是AD5626的基本模式。您可以根據(jù)DAC的單極性代碼表驗證AD5626的功能是否正常。 

表1 AD5626的單極性代碼表

材料

■   ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

■   無焊面包板

■   跳線

■   一個AD5626 12位nanoDAC?

■   一個2.2 kΩ電阻

■   一個0.001 μF電容

■    一個0.1 μF電容

■   一個10 μF電容 

硬件設(shè)置

如圖7所示連接AD5626的引腳。 

圖7 AD5626實現(xiàn)單極性操作的連接 

程序步驟

打開Scopy，使能正電源為5 V。在模式發(fā)生器中，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中AD5626的時序圖配置DAC輸入信號。從配置SPI信號開始。使用DIO0、DIO1和DIO2創(chuàng)建通道組。如果連接如圖7所示，則DIO1表示時鐘信號，DIO2表示數(shù)據(jù)信號，DIO0表示信號。在進行SPI分組時，確保數(shù)字通道的順序是正確的（參見圖10）。數(shù)據(jù)手冊中指明，高電平和低電平狀態(tài)下的時鐘寬度應(yīng)達到至少30 ns。由此可計算時鐘周期，進而計算最大頻率。將時鐘頻率設(shè)為1 MHz。將CLK極性和CLK相位設(shè)為1。 

由于AD5626是12位DAC，因此通過SPI發(fā)送的數(shù)據(jù)長度應(yīng)至少為12位。將每幀的字節(jié)數(shù)設(shè)為2，在轉(zhuǎn)換開始時，它會發(fā)送16位。在數(shù)據(jù)文本框中，您可以輸入將發(fā)送至DAC的值。SPI組通道的信號應(yīng)類似于AD5626 DAC的時序圖。 

圖8 AD5626試驗板連接 

圖9 AD5626 SPI時序圖 

現(xiàn)在，您應(yīng)該配置信號。從數(shù)據(jù)手冊中，我們得知在處于高電平時，移位寄存器的內(nèi)容會在的上升沿更新。將的模式設(shè)置為“數(shù)值”，輸入數(shù)值1。只要位是串行傳輸，LDAC信號(DIO3)的下降沿之前應(yīng)該有一個上升沿，且應(yīng)處于高電平。為了滿足上述條件，DIO3信號可以設(shè)置為采用13 kHz頻率和160°相位。AD5626數(shù)模轉(zhuǎn)換所需的所有輸入信號如圖9所示。 

圖10 模式發(fā)生器信號設(shè)置 

最后一步是在Scopy中打開示波器，將通道1連接到AD5626的輸出端。啟用通道1測量，并在SPI的“數(shù)據(jù)”區(qū)域輸入一個值。如果通過SPI發(fā)送的數(shù)據(jù)為7FF，在圖11中，您可以查看相應(yīng)的輸出電壓。 

圖11 輸入為7FF時，AD5626的輸出電壓 

雙極性輸出操作

雖然AD5626設(shè)計用于單電源操作，但使用圖12所示的電路也可以實現(xiàn)雙極性操作。 

圖12 雙極性輸出操作，未經(jīng)調(diào)節(jié)（數(shù)據(jù)手冊中建議的電路） 

此電路可用于不需要高精度的應(yīng)用。輸出電壓以偏移二進制格式編碼，由以下公式給出：

 在輸出范圍為±5 V，采用圖12中的表所示的電路值時，轉(zhuǎn)換公式變?yōu)椋?/p>

材料

■   ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

■   無焊面包板

■   跳線

■   一個AD5626 12位nanoDAC

■   一個OP484運算放大器

■   一個0.1 μF電容

■   一個1 kΩ電阻

■   一個20 kΩ電阻

■   兩個10 kΩ電阻

■   一個47 kΩ電阻

■   一個470 kΩ電阻

圖13 AD5626雙極性輸出操作試驗板連接 

硬件設(shè)置

在無焊試驗板上構(gòu)建圖12所示的電路。 

程序步驟

您可以將DAC配置為單極性輸出操作，如圖7所示。對于基準(zhǔn)電壓，使用信號發(fā)生器的通道1，設(shè)置為恒定2.5 V。在示波器的第二個通道上，可顯示運算放大器輸出端的電壓。您可以在示波器上同時顯示單極性操作和雙極性操作的電壓。 

圖14 000輸入的單極性和雙極性輸出電壓 

圖15 800輸入的單極性和雙極性輸出電壓 

圖16 FFF輸入的單極性和雙極性輸出電壓 

問題：

1.使用歐姆定律和并聯(lián)電阻公式，當(dāng)輸入D7和D6連接到接地和3.3 V的每個組合時，R-2R DAC的輸出電壓是多少？請將結(jié)果以表格形式呈現(xiàn)。 

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到答案。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。 

關(guān)于作者

Andreea Pop自2019年起擔(dān)任ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計/架構(gòu)工程師。她畢業(yè)于克盧日-納波卡理工大學(xué)，獲電子與通信學(xué)士學(xué)位和集成電路與系統(tǒng)碩士學(xué)位。 

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。 

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。