一種高速ADC和DAC轉(zhuǎn)換電路分享

硬件花園

點(diǎn)擊上方藍(lán)色字體，關(guān)注我們
+ u4 X( c) o) y9 R) X/ h
AD9280 在時(shí)鐘（CLK）的驅(qū)動(dòng)下工作，用于控制所有內(nèi)部轉(zhuǎn)換的周期；AD9280 內(nèi)置片內(nèi)采樣保持放大器（SHA），同時(shí)采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，保證了 32MSPS 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率下全溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼；AD9280 內(nèi)部集成了可編程的基準(zhǔn)源，根據(jù)系統(tǒng)需要也可以選擇外部高精度基準(zhǔn)滿足系統(tǒng)的要求。

AD9280 輸出的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式表示，當(dāng)輸入的模擬電壓超出量程時(shí)，會(huì)拉高 OTR（out-of-range）信號(hào)；當(dāng)輸入的模擬電壓在量程范圍內(nèi)時(shí)，OTR 信號(hào)為低電平，因此可以通過(guò) OTR 信號(hào)來(lái)判斷輸入的模擬電壓是否在測(cè)量范圍內(nèi)。
; B6 M* M2 _- B  |
AD9280 的時(shí)序圖如下圖所示：
& g" I2 T# \7 L/ l, U1 X
" J: p9 Y( l$ X  c0 {
4 ^- n5 {0 U( i7 a) @( F8 z
, F. [& v8 k) N5 X+ @模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并不是當(dāng)前周期就能轉(zhuǎn)換完成，從采集模擬信號(hào)開(kāi)始到輸出數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò) 3 個(gè)時(shí)鐘周期。比如上圖中在時(shí)鐘 CLK 的上升沿沿采集的模擬電壓信號(hào) S1，經(jīng)過(guò) 3 個(gè)時(shí)鐘周期后（實(shí)際上再加上 25ns 的時(shí)間延時(shí)），輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) DATA1。需要注意的是，AD9280 芯片的最大轉(zhuǎn)換速度是32MSPS，即輸入的時(shí)鐘最大頻率為 32MHz。

AD9280 支持輸入的模擬電壓范圍是 0V 至 2V，0V 對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字信號(hào)為 0，2V 對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字信號(hào)為 255。而 AD9708 經(jīng)外部電路后，輸出的電壓范圍是-5V~+5V，因此在 AD9280 的模擬輸入端增加電壓衰減電路，使-5V~+5V 之間的電壓轉(zhuǎn)換成 0V 至 2V 之間。那么實(shí)際上對(duì)我們用戶使用來(lái)說(shuō)，當(dāng) AD9280 的模擬輸入接口連接-5V 電壓時(shí)，AD 輸出的數(shù)據(jù)為 0；當(dāng) AD9280 的模擬輸入接口連接+5V 電壓時(shí)，AD 輸出的數(shù)據(jù)為 255。

3 b3 m& h1 s" l9 Q) i! J* Z. S當(dāng) AD9280 模擬輸入端接-5V 至+5V 之間變化的正弦波電壓信號(hào)時(shí)，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也是成正弦波波形變化，轉(zhuǎn)換波形如下圖所示：

2 S5 o0 Q8 ?$ ^1 c" Q

& H; `9 \# e1 g輸入的模擬電壓范圍在-5V 至 5V 之間，按照正弦波波形變化，最終得到的數(shù)據(jù)也是按照正弦波波形變化。
$ b+ l( i6 X( _1 e- t$ j
高速ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)思路如下所示：


3 O; A8 P7 ]; ~: A6 F
高速ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如下所示：

0 c# l4 }' F! Q) W$ F( L

" U. g3 d# B- `8 z- T* y圖中輸入的模擬信號(hào) SMA_IN（VI）經(jīng)過(guò)衰減電路后得到 AD_IN2（VO）信號(hào)，兩個(gè)模擬電壓信號(hào)之間的關(guān)系是 VO=VI/5+1，即當(dāng) VI=5V 時(shí)，VO=2V；VI=-5V 時(shí)，VO=0V。
2
高速DAC轉(zhuǎn)換電路
AD9708 是 ADI 公司（Analog Devices，Inc.，亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司）生產(chǎn)的 TxDAC 系列數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。AD9708 的數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)為 8 位，最大轉(zhuǎn)換速度為 125MSPS（每秒采樣百萬(wàn)次 Million Samples per Second）。

+ m) `% ?7 ~! M% Q" K4 W4 ~# QAD9708 的內(nèi)部功能框圖如下圖所示：


1 ?5 [% |0 G3 `1 k; o
& r8 q6 e  t* xAD9708 在時(shí)鐘（CLOCK）的驅(qū)動(dòng)下工作，內(nèi)部集成了+1.2V 參考電壓(+1.20V REF)、運(yùn)算放大器、電流源（CURRENT SOURCE ARRAY）和鎖存器（LATCHES）。兩個(gè)電流輸出端 IOUTA 和 IOUTB 為一對(duì)差分電流，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 0（DB7~DB0）時(shí)，IOUTA 的輸出電流為 0，而 IOUTB 的輸出電流達(dá)到最大，最大值的大小跟參考電壓有關(guān)；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)全為高點(diǎn)平（DB7~DB0=8’hff）時(shí)，IOUTA 的輸出電流達(dá)到最大，最大值的大小跟參考電壓有關(guān)，而 IOUTB 的輸出電流為 0。AD9708 必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能把數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)的鎖存器中，其觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，AD9708 的時(shí)序圖如下圖所示：

; c/ r5 d& {8 b3 y

7 D9 P, G7 i# v0 x: l上圖中的 DBO-DB7 和 CLOCK 是 AD9708 的 8 位輸入數(shù)據(jù)和為輸入時(shí)鐘，IOUTA 和 IOUTB 為AD9708 輸出的電流信號(hào)。由上圖可知，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿鎖存，因此我們可以在時(shí)鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。需要注意的是，CLOCK 的時(shí)鐘頻率越快，AD9708 的數(shù)模轉(zhuǎn)換速度越快，AD9708 的時(shí)鐘頻率最快為125Mhz。

0 x0 d. Q6 n; AIOUTA 和 IOUTB 為 AD9708 輸出的一對(duì)差分電流信號(hào)，通過(guò)外部電路低通濾波器與運(yùn)放電路輸出模擬電壓信號(hào)，電壓范圍是-5V 至+5V 之間。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)等于 0 時(shí)，AD9708 輸出的電壓值為 5V；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)等于 255時(shí)，AD9708 輸出的電壓值為-5V。
2 q9 s: c# S# z4 Z& ~
AD9708 是一款數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)的器件，內(nèi)部沒(méi)有集成 DDS（Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字 式頻率合成器）的功能，但是可以通過(guò)控制 AD9708 的輸入數(shù)據(jù)，使其模擬 DDS 的功能。例如，我們使用AD9708 輸出一個(gè)正弦波模擬電壓信號(hào)，那么我們只需要將 AD9708 的輸入數(shù)據(jù)按照正弦波的波形變化即可，下圖為 AD9708 的輸入數(shù)據(jù)和輸出電壓值按照正弦波變化的波形圖。
" ~4 Q3 T0 \6 G5 Y2 u2 M- \

. E, p6 z# x" E: {0 O
  J4 j/ M( l2 Q+ L0 A. _  e由上圖可知，數(shù)據(jù)在 0 至 255 之間按照正弦波的波形變化，最終得到的電壓也會(huì)按照正弦波波形變化，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)重復(fù)按照正弦波的波形數(shù)據(jù)變化時(shí)，那么 AD9708 就可以持續(xù)不斷的輸出正弦波的模擬電壓波形。需要注意的是，最終得到的 AD9708 的輸出電壓變化范圍由其外部電路決定的，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 0 時(shí)，AD9708 輸出+5V 的電壓；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 255 時(shí)，AD9708 輸出-5V 的電壓。

$ Q5 k% }" d  p0 E由此可以看出，只要輸入的數(shù)據(jù)控制的得當(dāng)，AD9708 可以輸出任意波形的模擬電壓信號(hào)，包括正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。
8 c; M* |2 o( ]
) ?. e) T# p0 E) G高速DAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)思路如下所示：



高速DAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如下所示：
" I' ~4 O. I9 C7 U9 w: S
1 b  o# y( g; G2 v) S
5 F, \* k- @7 G# O, I
圖中輸出的一對(duì)差分電流信號(hào)先經(jīng)過(guò)濾波器，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路得到一個(gè)單端的模擬電壓信號(hào)。圖中右側(cè)的 W1 為滑動(dòng)變阻器，可以調(diào)節(jié)輸出的電壓范圍，推薦通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使輸出的電壓范圍在-5V 至+5V 之間，從而達(dá)到 AD 轉(zhuǎn)換芯片的最大轉(zhuǎn)換范圍。


) ?( O8 ^6 Q! W& o1 Z  ^) d往期推薦CAN FD網(wǎng)絡(luò)中每秒最多可以發(fā)送多少幀報(bào)文？
  N5 {$ @( I/ g* y: T詳解CAN總線：CAN節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成方案
LabVIEW PID算法模擬油艙液位控制
彩色圖像色彩空間原理（理論篇—6）
鴻蒙OS制作小游戲：數(shù)字華容道（自定義組件踩坑記錄）


& u; O6 Y+ J8 w
. `" E4 n* [: h0 j/ ^5 u6 [點(diǎn)擊閱讀原文，更精彩~