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作者：Andreea Pop，系統設計/架構工程師 Antoniu Miclaus，系統應用工程師 Doug Mercer，顧問研究員 R-2R梯形電阻數模轉換器(DAC) 目標 本實驗的目標是探討數模轉換的概念，將CMOS反相器用作梯形電阻分壓器的基準開關（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。ADALM2000模塊的數字I/O信號可配置為具有+3.3 V電源電壓的標準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制造工藝經過特別設計，使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓VTH大致相等——即互補。然后，反相器的設計人員調整NMOS和PMOS器件的寬長比W/L，使其各自的跨導和RON也相等。兩個晶體管中，只有一個處于導通狀態，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）,根據數字碼交替驅動到兩個基準電壓電平中的任一個(D0-7)。數字0表示VREF–，數字1表示VREF+。根據數字輸入碼，VLADDER（圖2）將在兩個基準電平之間變化。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)中提供的電阻數量通常不足以構建完整的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。 將用藍色框表示的8個數字輸出、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梯形電阻網絡電路 硬件設置
圖3.R-2R梯形電阻網絡電路試驗板連接 程序步驟 當安裝R1和R2時，設置AWG1的直流電壓與DAC的VREF+相等，即等于CMOS數字輸出的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。打開模式發生器界面。選擇DIO0至DIO7，并組成一個分組。設置參數，將模式設置為二進制計數器。輸出設置為推挽輸出（PP），頻率設置為256 kHz。此時能看到類似圖4所示的內容。最后，點擊運行按鈕。
圖4.模式發生器界面。 打開示波器界面，開啟通道2，并將時基設置為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，斜坡信號的周期應為1 ms。
圖5.示波器界面。 改變數字模式。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，看看會出現什么情況。 您可以嘗試加載以下這些預制波形文件：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、兼容數據輸入(SDIN)的DSP、時鐘(SCLK)和負載選通(LDAC)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，新數據值可以預載到該串行寄存器中，而不會干擾現有DAC輸出電壓。通過選通LDAC引腳，可以將加載值傳輸到DAC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
材料 ► ADALM2000主動學習模塊 ► 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 硬件設置 如圖7所示連接AD5626的引腳。
圖7.AD5626實現單極性操作的連接。 程序步驟 打開Scopy，使能正電源為5 V。在模式發生器中，根據數據手冊中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表示數據信號，DIO0表示CS信號。在進行SPI分組時，確保數字通道的順序是正確的（參見圖10）。數據手冊中指明，高電平和低電平狀態下的時鐘寬度應達到至少30 ns。由此可計算時鐘周期，進而計算最大頻率。將時鐘頻率設為1 MHz。將CLK極性和CLK相位設為1。 由于AD5626是12位DAC，因此通過SPI發送的數據長度應至少為12位。將每幀的字節數設為2，在轉換開始時，它會發送16位。在數據文本框中，您可以輸入將發送至DAC的值。SPI組通道的信號應類似于AD5626 DAC的時序圖。
圖8.AD5626試驗板連接。
圖9.AD5626 SPI時序圖。 現在，您應該配置LDAC和CLR信號。從數據手冊中，我們得知在CLR處于高電平時，移位寄存器的內容會在LDAC的上升沿更新。將DIO4 (CLR)的模式設置為“數值”，輸入數值1。只要位是串行傳輸，LDAC信號(DIO3)的CS下降沿之前應該有一個上升沿，且應處于高電平。為了滿足上述條件，DIO3信號可以設置為采用13 kHz頻率和160°相位。AD5626數模轉換所需的所有輸入信號如圖9所示。
圖10.模式發生器信號設置。 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“數據”區域輸入一個值。如果通過SPI發送的數據為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設計用于單電源操作，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）。 此電路可用于不需要高精度的應用。輸出電壓以偏移二進制格式編碼，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，轉換公式變為：
材料 ► ADALM2000主動學習模塊 ► 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 硬件設置 在無焊試驗板上構建圖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。對于基準電壓，使用信號發生器的通道1，設置為恒定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。 您可以在學子專區論壇上找到答案。 關于作者 Andreea Pop自2019年起擔任ADI公司的系統設計/架構工程師。她畢業于克盧日-納波卡理工大學，獲電子與通信學士學位和集成電路與系統碩士學位。聯系方式：andreea.pop@analog.com。 Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab®、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。聯系方式：antoniu.miclaus@analog.com。 Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯系方式：doug.mercer@analog.com。 |
