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ADALM2000实验:数模转换

2023-04-13 ADI公司 阅读:
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)。

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)。zYAednc

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。zYAednc

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1.CMOS输出驱动器。zYAednc

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)。zYAednc

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。zYAednc

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。zYAednc

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2.R-2R梯形电阻网络电路zYAednc

硬件设置

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3.R-2R梯形电阻网络电路试验板连接zYAednc

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。zYAednc

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4.模式发生器界面。zYAednc

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。zYAednc

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5.示波器界面。zYAednc

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。zYAednc

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。zYAednc

AD5626 12位nanoDAC

背景信息

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。zYAednc

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6.AD5626的简化功能框图。zYAednc

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。zYAednc

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。zYAednc

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

表1.AD5626的单极性代码表zYAednc

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。zYAednc

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7.AD5626实现单极性操作的连接。zYAednc

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。zYAednc

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。zYAednc

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8.AD5626试验板连接。zYAednc

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9.AD5626 SPI时序图。zYAednc

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。zYAednc

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10.模式发生器信号设置。zYAednc

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。zYAednc

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11.输入为7FF时,AD5626的输出电压。zYAednc

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。zYAednc

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12.双极性输出操作,未经调节(数据手册中建议的电路)。zYAednc

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:zYAednc

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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:zYAednc

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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

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13.AD5626双极性输出操作试验板连接zYAednc

硬件设置

在无焊试验板上构建图12所示的电路。zYAednc

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。zYAednc

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14.000输入的单极性和双极性输出电压。zYAednc

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15.800输入的单极性和双极性输出电压。zYAednc

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16.FFF输入的单极性和双极性输出电压。zYAednc

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。zYAednc

您可以在学子专区论坛上找到答案。zYAednc

# # #zYAednc

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/cnzYAednc

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.comzYAednc

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.comzYAednc

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.comzYAednc

责编:Franklin
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