【導讀】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(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，使其各自的跨導和RON也相等。兩個晶體管中，只有一個處于導通狀態(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的基準電壓源。
R-2R梯形電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)
目標
本實驗的目標是探討數(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(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，使其各自的跨導和RON也相等。兩個晶體管中，只有一個處于導通狀態(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(shè)置為CMOS驅(qū)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(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。
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。
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(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。
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?/p>
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(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，獲電子與通信學士學位和集成電路與系統(tǒng)碩士學位。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(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。
Doug Mercer于1977年畢業(yè)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(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(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。
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