一種高速ADC和DAC轉(zhuǎn)換電路分享

硬件筆記本

7 H1 u$ R, q0 X: \點擊上方藍色字體，關(guān)注我們

AD9280 在時鐘（CLK）的驅(qū)動下工作，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），同時采用多級差分流水線架構(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。

0 F$ M# m% i7 w! h9 f$ rAD9280 輸出的數(shù)據(jù)以二進制格式表示，當(dāng)輸入的模擬電壓超出量程時，會拉高 OTR（out-of-range）信號；當(dāng)輸入的模擬電壓在量程范圍內(nèi)時，OTR 信號為低電平，因此可以通過 OTR 信號來判斷輸入的模擬電壓是否在測量范圍內(nèi)。
2 J: g2 o' E- M! [
6 `- o1 k( O+ g; ^6 e% P/ mAD9280 的時序圖如下圖所示：
* F0 s+ z2 |: h9 e- _0 D- s

$ @3 g! C) U) ~$ q
模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并不是當(dāng)前周期就能轉(zhuǎn)換完成，從采集模擬信號開始到輸出數(shù)據(jù)需要經(jīng)過 3 個時鐘周期。比如上圖中在時鐘 CLK 的上升沿沿采集的模擬電壓信號 S1，經(jīng)過 3 個時鐘周期后（實際上再加上 25ns 的時間延時），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，即輸入的時鐘最大頻率為 32MHz。
8 L1 e5 z' P+ }
AD9280 支持輸入的模擬電壓范圍是 0V 至 2V，0V 對應(yīng)輸出的數(shù)字信號為 0，2V 對應(yīng)輸出的數(shù)字信號為 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。那么實際上對我們用戶使用來說，當(dāng) AD9280 的模擬輸入接口連接-5V 電壓時，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，AD 輸出的數(shù)據(jù)為 255。
) ?3 F% D$ Y1 ^+ N6 @" g" D% O
9 |3 y8 w! l6 R當(dāng) AD9280 模擬輸入端接-5V 至+5V 之間變化的正弦波電壓信號時，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：
+ H: \$ a3 O& c
. e# Q  k8 B+ N* j. R7 {
% L  l, V* Z( e$ G9 q
! f. y7 {; r9 V5 Z: O& w- o  J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。

高速ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計思路如下所示：
/ {4 x3 K' U3 j2 v3 j


高速ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如下所示：


3 \0 O5 ~& v" W0 `* Y
8 d! L* {& ^5 x+ e1 W圖中輸入的模擬信號 SMA_IN（VI）經(jīng)過衰減電路后得到 AD_IN2（VO）信號，兩個模擬電壓信號之間的關(guān)系是 VO=VI/5+1，即當(dāng) VI=5V 時，VO=2V；VI=-5V 時，VO=0V。
# t* p. e* M: i. A1 _7 z/ ~6 G. j2
2 t* o# i! I/ s' W/ |/ \高速DAC轉(zhuǎn)換電路
  ]4 z3 Z, U( a4 ^0 U6 ]6 bAD9708 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。AD9708 的數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)為 8 位，最大轉(zhuǎn)換速度為 125MSPS（每秒采樣百萬次 Million Samples per Second）。

AD9708 的內(nèi)部功能框圖如下圖所示：


4 D+ b, C- P* T! ~$ I% \( ~5 N
AD9708 在時鐘（CLOCK）的驅(qū)動下工作，內(nèi)部集成了+1.2V 參考電壓(+1.20V REF)、運算放大器、電流源（CURRENT SOURCE ARRAY）和鎖存器（LATCHES）。兩個電流輸出端 IOUTA 和 IOUTB 為一對差分電流，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 0（DB7~DB0）時，IOUTA 的輸出電流為 0，而 IOUTB 的輸出電流達到最大，最大值的大小跟參考電壓有關(guān)；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)全為高點平（DB7~DB0=8’hff）時，IOUTA 的輸出電流達到最大，最大值的大小跟參考電壓有關(guān)，而 IOUTB 的輸出電流為 0。AD9708 必須在時鐘的驅(qū)動下才能把數(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 的時序圖如下圖所示：
, A# |7 M% b8 w( ^4 D
2 v$ q+ k2 `6 Y0 X
5 e, M% Z% P' ~: Z* u: e
+ Z# K+ a/ k$ b- u$ l上圖中的 DBO-DB7 和 CLOCK 是 AD9708 的 8 位輸入數(shù)據(jù)和為輸入時鐘，IOUTA 和 IOUTB 為AD9708 輸出的電流信號。由上圖可知，數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿鎖存，因此我們可以在時鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。需要注意的是，CLOCK 的時鐘頻率越快，AD9708 的數(shù)模轉(zhuǎn)換速度越快，AD9708 的時鐘頻率最快為125Mhz。
7 w6 w  ^9 C/ j8 J! U5 c
  z( k  q5 b( S* {IOUTA 和 IOUTB 為 AD9708 輸出的一對差分電流信號，通過外部電路低通濾波器與運放電路輸出模擬電壓信號，電壓范圍是-5V 至+5V 之間。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)等于 0 時，AD9708 輸出的電壓值為 5V；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)等于 255時，AD9708 輸出的電壓值為-5V。

AD9708 是一款數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號的器件，內(nèi)部沒有集成 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 輸出一個正弦波模擬電壓信號，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。

8 D! F: k$ c5 c
, m: a8 [: b) x& R' z
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，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，AD9708 輸出+5V 的電壓；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 255 時，AD9708 輸出-5V 的電壓。

6 S/ K3 }) m8 C; j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，包括正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。
7 p! b3 T1 B! q1 x
4 V# K  Z" h( l* s9 R" P" |高速DAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計思路如下所示：



高速DAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如下所示：


6 H8 `8 Z3 i7 E
" h% _2 I7 j7 S* D& J; R- g圖中輸出的一對差分電流信號先經(jīng)過濾波器，再經(jīng)過運放電路得到一個單端的模擬電壓信號。圖中右側(cè)的 W1 為滑動變阻器，可以調(diào)節(jié)輸出的電壓范圍，推薦通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，使輸出的電壓范圍在-5V 至+5V 之間，從而達到 AD 轉(zhuǎn)換芯片的最大轉(zhuǎn)換范圍。

8 C7 D1 L2 ~! l
$ d5 M/ w# }8 O: V0 ]* T往期推薦CAN FD網(wǎng)絡(luò)中每秒最多可以發(fā)送多少幀報文？
- y: j& P2 b0 k6 ~詳解CAN總線：CAN節(jié)點硬件構(gòu)成方案
( U  j* E' Z" c; X9 W$ K- @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）
# E" I8 N, e; f2 N4 a7 k: g+ e鴻蒙OS制作小游戲：數(shù)字華容道（自定義組件踩坑記錄）
( F- d9 q7 b# E1 p# q( q7 L
: y! E$ \$ n& T" J# m$ `# N

) P8 b9 V9 v: M( a點擊閱讀原文，更精彩~