ADALM2000實驗:數位類比轉換

作者 :

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 […]

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VTH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VDD或VSS。我們可以考慮將此兩個電壓用於DAC的基準電壓源。

Figure 1. CMOS output driver.
Figure 1. CMOS output driver.
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VREF–,數位1表示VREF+。根據數位輸入碼,VLADDER(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(VREF–)通常為地電壓(VSS)。在本例中,我們將正基準電壓(VREF+)設置為CMOS驅動器的正電源電壓(VDD)。

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。

Figure 2. R-2R resistor ladder circuit.
Figure 2. R-2R resistor ladder circuit.
圖2.R-2R梯形電阻網路電路

硬體設定

Figure 3. R-2R resistor ladder circuit breadboard connections.
Figure 3. R-2R resistor ladder circuit breadboard connections.
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VREF+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。

Figure 4. The Pattern Generator screen.
Figure 4. The Pattern Generator screen.
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。

Figure 5. The Scope screen.
Figure 5. The Scope screen.
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。

Figure 6. A functional block diagram of the AD5626.
Figure 6. A functional block diagram of the AD5626.
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。

Figure 7. Connections for unipolar operation of the AD5626.
Figure 7. Connections for unipolar operation of the AD5626.
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。

Figure 8. AD5626 breadboard connections.
Figure 8. AD5626 breadboard connections.
圖8.AD5626試驗板連接。
Figure 9. AD5626 SPI timing diagram.
Figure 9. AD5626 SPI timing diagram.
圖9.AD5626 SPI時序圖。

現在,您應該配置LDACCLR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。

Figure 10. Pattern Generator signals setup.
Figure 10. Pattern Generator signals setup.
圖10.模式產生器訊號設定。

最後一步是在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,並在SPI的「資料」區域輸入一個值。如果透過SPI發送的資料為7FF,在圖11中,您可以查看相應的輸出電壓。

Figure 11. AD5626 output voltage for 7FF input.
Figure 11. AD5626 output voltage for 7FF input.
圖11.輸入為7FF時,AD5626的輸出電壓。

雙極性輸出操作

雖然AD5626設計用於單電源操作,但使用圖12所示的電路也可以實現雙極性操作。

Figure 12. Bipolar output operation without trim (circuit suggested in the data sheet).
Figure 12. Bipolar output operation without trim (circuit suggested in the data sheet).
圖12.雙極性輸出操作,未經調節(數據手冊中建議的電路)。

此電路可用於不需要高精度的應用。輸出電壓以偏移二進位格式編碼,由以下公式提供:

Equation 1

在輸出範圍為±5 V,採用圖12中的表所示的電路值時,轉換公式變為:

Equation 2

材料

  • ADALM2000主動學習模組
  • 無焊麵包板
  • 跳線
  • 一個AD5626 12位元 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
Figure 13. AD5626 bipolar output operation breadboard connections.
Figure 13. AD5626 bipolar output operation breadboard connections.
圖13.AD5626雙極性輸出操作試驗板連接

硬體設定

在無焊試驗板上建構圖12所示的電路。

程式步驟

您可以將DAC配置為單極性輸出操作,如圖7所示。對於基準電壓,使用訊號產生器的通道1,設定為恆定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。

Figure 14. Unipolar and bipolar output voltages for 000 input.
Figure 14. Unipolar and bipolar output voltages for 000 input.
圖14.000輸入的單極性和雙極性輸出電壓。
Figure 15. Unipolar and bipolar output voltages for 800 input.
Figure 15. Unipolar and bipolar output voltages for 800 input.
圖15.800輸入的單極性和雙極性輸出電壓。
Figure 16. Unipolar and bipolar output voltages for FFF input.
Figure 16. Unipolar and bipolar output voltages for FFF input.
圖16.FFF輸入的單極性和雙極性輸出電壓。

問題:

1. 使用歐姆定律和並聯電阻公式,當輸入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?請將結果以表格形式呈現。

答案可以在 學子專區 部落格上找到。

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