學子專區—ADALM2000實驗：數位類比轉換
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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：
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
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。
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。
