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ADALM2000實驗:數(shù)模轉(zhuǎn)換

發(fā)布時間:2023-05-12 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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。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。


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。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。


1.png

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。


2.png

圖2.R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)電路


硬件設(shè)置


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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。


4.png

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。


5.png圖5.示波器界面。


改變數(shù)字模式。嘗試隨機模式,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1681372357106756.png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。


6.png

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。


表1.AD5626的單極性代碼表

1681371838191900.png


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。


8.png

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1681372503540808.png信號。在進行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)達到至少30 ns。由此可計算時鐘周期,進而計算最大頻率。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。


9.png

圖8.AD5626試驗板連接。


10.png

圖9.AD5626 SPI時序圖。


現(xiàn)在,您應(yīng)該配置1681372665327782.png1681372690874996.png信號。從數(shù)據(jù)手冊中,我們得知在1681372717999954.png處于高電平時,移位寄存器的內(nèi)容會在1681372743503235.png的上升沿更新。將DIO4 (1681372765985215.png)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1681372800627035.png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。


11.png

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。


12.png

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。


13.png

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制格式編碼,由以下公式給出:


14.png


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?/p>


14-1.png


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


1681371761271703.png

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。


16.png

圖14.000輸入的單極性和雙極性輸出電壓。


17.png

圖15.800輸入的單極性和雙極性輸出電壓。


18.png

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。


關(guān)于ADI公司


Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司,致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁,以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案,推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn),并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元,全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息,請訪問www.analog.com/cn。


關(guān)于作者


Andreea Pop自2019年起擔(dān)任ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計/架構(gòu)工程師。她畢業(yè)于克盧日-納波卡理工大學(xué),獲電子與通信學(xué)士學(xué)位和集成電路與系統(tǒng)碩士學(xué)位。聯(lián)系方式:andreea.pop@analog.com。


Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師,從事ADI教學(xué)項目工作,同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生,擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式:antoniu.miclaus@analog.com。


Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI),獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來,他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品,并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年,他從全職工作轉(zhuǎn)型,并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問,為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年,他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式:doug.mercer@analog.com。



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