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學子專區—ADALM2000實驗：數位類比轉換

本文作者：Andreea Pop 點擊： 2022-09-23 14:10

前言：

作者：系統設計⁄架構工程師Andreea Pop, 系統應用工程師Antoniu Miclaus, 及顧問研究員Doug Mercer

R-2R梯形電阻數位類比轉換器(DAC)

目標

本實驗的目標是探討數位類比轉換的概念，將CMOS反相器用於梯形電阻分壓器的基準開關（用於DAC中）。

背景資訊

我們將簡單的CMOS反相器邏輯門用於一對開關。 ADALM2000 的標準CMOS分壓器（推挽模式）。採用最簡單的形式，CMOS輸出可以由一個PMOS元件M1和一個NMOS元件M2組成。通常，CMOS製程經過特別設計，使得NMOS和PMOS元件的閾值電壓V_TH大致相等——即互補。然後，反相器的設計人員調整NMOS和PMOS元件的寬長比W/L，使其各自的跨導和RON也相等。兩個電晶體中，只有一個處於導通狀態，同時將輸出端連接到V_DD或V_SS。我們可以考慮將此兩個電壓用於DAC的基準電壓源。

圖1.CMOS輸出驅動器。

在「電壓模式」中使用R-2R梯形電阻（如圖2所示）,根據數位碼交替驅動到兩個基準電壓位準中的任一個(D0-7)。數位0表示V_REF–，數位1表示V_REF+。根據數位輸入碼，V_LADDER（圖2）將在兩個基準位準之間變化。兩個基準電壓的負基準電壓(V_REF–)通常為地電壓(V_SS)。在本例中，我們將正基準電壓(V_REF+)設置為CMOS驅動器的正電源電壓(V_DD)。

材料

• ADALM2000主動學習模組

• 無焊麵包板

• 跳線

• 9個20 kΩ電阻

• 9個10 kΩ電阻

• 一個 OP27 放大器

說明

最好在無焊試驗板上建構圖2所示的8位元梯形電阻電路。模擬零件套件(ADALP2000)中提供的電阻數量通常不足以建構完整的8位元梯形電阻。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個數位輸出、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接腳。

圖2.R-2R梯形電阻網路電路

硬體設定

圖3.R-2R梯形電阻網路電路試驗板連接

程式步驟

當安裝R1和R2時，設定AWG1的直流電壓與DAC的V_REF+相等，即等於CMOS數位輸出的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並移除電阻R1，輸出電壓為單極性，擺幅為0 V至+3.3 V。啟動Scopy軟體。打開模式產生器介面。選擇DIO0至DIO7，並組成一個分組。設定參數，將模式設定為二進位計數器。輸出設定為推挽輸出（PP），頻率設定為256 kHz。此時能看到類似圖4所示的內容。最後，點擊運行按鈕。

圖4.模式產生器介面。

打開示波器介面，開啟通道2，並將時基設定為200μs/div，點擊綠色運行按鈕開始運行。有時可能還需要調整通道的垂直範圍（初始條件下，1 V/div比較合適）。透過示波器介面能看到（如圖4所示）電壓從0 V上升到3.3 V，斜坡訊號的週期應為1 ms。

圖5.示波器介面。

改變數位模式。嘗試隨機模式，並打開示波器上的FFT視窗。您還可以透過生成具有一列0到255（對於8位元寬匯流排）數位的純文字.csv檔，來載入自訂模式。載入自訂模式，看看會出現什麼情況。

您可以嘗試載入以下這些預製波形檔：正弦、三角、高斯脈衝等：waveforms_pg。

AD5626 12位元 nanoDAC

背景資訊

AD5626 為一款可以使用5 V單電源供電的電壓輸出DAC。其整合DAC、輸入移位暫存器和鎖存、基準電壓源以及一個軌對軌輸出放大器。輸出放大器擺幅可達到任一供電軌，且設定範圍為0 V至4.095 V，解析度為每位元1 mV。該元件採用高速、三線式、相容資料登錄(SDIN)的DSP、時脈(SCLK)和負載選通(LDAC)的串線介面。其還有晶片選擇接腳，可連接多個DAC。上電時或用戶要求時，CLR輸入可將輸出設定為零位準。

圖6.AD5626的簡化功能框圖。

除1位DAC暫存器外，AD5626還有一個獨立的串列輸入暫存器，新資料值可以預載到該串列暫存器中，而不會干擾現有DAC輸出電壓。透過選通LDAC接腳，可以將載入值傳輸到DAC暫存器。

單極性輸出操作

此種操作模式是AD5626的基本模式。您可以根據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

DAC暫存器中的十六進位數	DAC暫存器中的十進位數字	類比輸出電壓(V)
FFF	4095	4.095
801	2049	2.049
800	2048	2.048
7FF	2047	2.047
000	0	0

材料

• ADALM2000主動學習模組

• 無焊麵包板

• 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

硬體設定

如圖7所示連接AD5626的接腳。

圖7.AD5626實現單極性操作的連接。

程式步驟

打開Scopy，使能正電源為5 V。在模式產生器中，根據數據手冊中AD5626的時序圖配置DAC輸入訊號。從配置SPI訊號開始。使用DIO0、DIO1和DIO2創建通道組。如果連接如圖7所示，則DIO1表示時脈訊號，DIO2表示資料訊號，DIO0表示CS訊號。在進行SPI分組時，確保數位通道的順序是正確的（參見圖10）。數據手冊中表示，高位準和低位準狀態下的時脈寬度應達到至少30 ns。由此可計算時脈週期，進而計算最大頻率。將時脈頻率設為1 MHz。將CLK極性和CLK相位設為1。

由於AD5626是12位元DAC，因此透過SPI發送的資料長度應至少為12位元。將每幀的位元組數設為2，在轉換開始時，其會發送16位元。在資料文字方塊中，您可以輸入將發送至DAC的值。SPI組通道的訊號應類似於AD5626 DAC的時序圖。

圖8.AD5626試驗板連接。

圖9.AD5626 SPI時序圖。

現在，您應該配置LDAC和CLR訊號。從數據手冊中，我們得知在CLR處於高位準時，移位暫存器的內容會在LDAC的上升沿更新。將DIO4 (CLR)的模式設定為「數值」，輸入數值1。只要位元是序列傳輸，LDAC訊號(DIO3)的CS降緣之前應該有一個升緣，且應處於高位準。為了滿足上述條件，DIO3訊號可以設定為採用13 kHz頻率和160°相位。AD5626數位類比轉換所需的所有輸入訊號如圖9所示。