ADALM2000实验：数模转换

作者：Andreea Pop，系统设计/架构工程师
Antoniu Miclaus，系统应用工程师
Doug Mercer，顾问研究员

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模块的数字I/O信号可配置为具有+3.3 V电源电压的标准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V_TH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R_ON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V_DD或V_SS。我们可以考虑将这两个电压用作DAC的基准电压源。

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V_REF–，数字1表示V_REF+。根据数字输入码，V_LADDER（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(V_REF–)通常为地电压(V_SS)。在本例中，我们将正基准电压(V_REF+)设置为CMOS驱动器的正电源电压(V_DD)。

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
► 1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。

图2.R-2R梯形电阻网络电路

硬件设置

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V_REF+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。

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。

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( eq sup4(f(,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。

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

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。

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 eq sup4(f(,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。

图8.AD5626试验板连接。


图9.AD5626 SPI时序图。

现在，您应该配置 eq sup4(f(,LDAC))和 eq sup4(f(,CLR))信号。从数据手册中，我们得知在 eq sup4(f(,CLR))处于高电平时，移位寄存器的内容会在 eq sup4(f(,LDAC))的上升沿更新。将DIO4 ( eq sup4(f(,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 eq sup4(f(,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。

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。

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。

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：

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：

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

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。

图14.000输入的单极性和双极性输出电压。


图15.800输入的单极性和双极性输出电压。


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。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

关于作者

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。联系方式：andreea.pop@analog.com。

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。联系方式：antoniu.miclaus@analog.com。

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。联系方式：doug.mercer@ analog.com。