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(bǔ)。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(fù)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(lán)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(jìn)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(jī)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(dá)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(fù)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。

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(jìn)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(dá)到至少30 ns。由此可計算時鐘周期，進(jìn)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)該配置和信號。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DIO4 ()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(jìn)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?

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。