【技术专辑】任意波形发生器的DAC输出电路

如何将DAC输出电流转换为正常电压信号?让我们来看看。

 

我最近设计了一个任意波形发生器(AWG)板,我一直在编写关于原理图的技术文章,作为在我们进入AWG项目之前探索相关设计细节的方法。前两篇文章介绍了微控制器和DAC,本文将讨论连接到DAC输出引脚的信号调理电路。

 

【技术专辑】任意波形发生器的DAC输出电路

 

电流到电压

 

AWG板中使用的DAC将数字数据转换为有点混乱的模拟数据形式。输出驱动电流而不是电压,输出信号是互补的(或平衡的,或差分 - 选择您喜欢的术语)。如果您已经阅读了上一篇文章,那么您应该对这些互补电流信号究竟是什么有充分的了解,但我们仍然有如何处理它们的问题。

 

我们假设您希望最终得到电压信号而不是电流信号。除此之外,你有选择权。

 

•您想要单端输出还是差分输出?

 

•你想要一个以0 V为中心的信号,即一个在地下摆动的信号吗?或者您是否想要添加一个将信号保持在地面以外的DC偏移?

 

•您对有源元件与无源元件有偏好吗?

 

•您想要差分输出提供的全部性能,还是宁愿将DAC用作单端设备?

 

在我们查看AWG板中使用的电路之前,让我们讨论这些选项。

 

单端与差分

 

我的猜测是大多数应用程序都需要单端的最终DAC信号。但是,通过将差分DAC电流信号转换为缓冲差分电压,可以延长差分信号的优势。这不需要设计师的额外努力; 你真正需要做的就是使用差分输出放大器而不是典型的运算放大器。下图将指出正确的方向。

 

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这个应用笔记的图表,由ADI公司出版。

 

AC或DC,被动还是主动?

 

如果您使用DAC生成音频信号,您最终需要一个以0 V为中心的波形。如果您的信号链不需要始终在地面上的波形,您也可以转换为DAC直接输出到AC耦合信号。使用变压器很容易实现:

 

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图来自AD9708 数据表。

 

我很欣赏无源元件的简单性,但如果有源解决方案更适合放大,则可以使用产生双极性输出信号的双电源运算放大器电路。这种方法的不便之处在于您需要正负电源电压。另一方面,它是有利的,因为它实际上不是AC耦合的 - 它产生以0V为中心的输出信号,但同时它与低频(或DC)信号兼容。相比之下,变压器严格用于交流应用。下图给出了双极运算放大器方法的示例。

 

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这个应用笔记的图表,由ADI公司出版。

 

如果您不仅需要直流耦合,还需要保持高于地的波形,则需要配置运算放大器电路,以便为输出信号添加适当的直流偏移。这种方法非常方便,因为只有一个电源电压可以正常工作(如这里所讨论的,单电源电路现在非常流行)。

 

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单电源输出电路的示例。图来自AD9708 数据表。

 

忽略其中一个输出

 

如果您愿意为了简单而交易性能,您可以假装DAC是单端设备。将其中一个输出接地,然后获取另一个输出产生的电流,并使用典型的运算放大器电流 - 电压转换器(又称跨阻抗放大器)将其转换为电压。您可以在上面提到的应用笔记的第6页上阅读有关此方法的更多信息。

 

我的电路

 

我不想在我的电路板中加入负电源,我不想使用变压器(我不记得为什么......大概是为了确保与低频和直流信号兼容,或者可能因为我对运算放大器比较熟悉。我也不需要差分电压信号。因此,我最终得到了上面讨论的单电源,单端运算放大器配置。这是电路:

 

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•放大器电路本身提供2的增益; 该增益适用于R10和R8两端产生的差分电压。我的满量程输出电流约为20 mA,这意味着IOUTA节点和IOUTB节点之间的最大电压摆幅约为±0.5 V.如果我们将其乘以增益,我们发现最大输出摆幅为±1 V相对于DC偏移。

 

•直流偏移为1.65 V(即接地和正电源轨之间)。当我需要参考电压时,我更喜欢使用集成电路而不是电阻分压器。IC方法在精度和噪声方面提供了更好的性能,您不必担心分压器中的电阻与电路的其余部分之间的相互作用。

 

•该REF2033是一个方便的装置,因为它产生一个电压(VREF)和另一电压,VREF的二分之一(称之为VREF / 2)。当您需要ADC的参考电压和用于将放大器偏置在ADC输入范围中间的偏置电压时,这非常有用。

 

•在这种情况下,我只需要VREF / 2。尽管供电电压太低而无法正确生成VREF,但99%我确信该元件能正常工作。但是,我添加R2和TP2只是为了绝对肯定。这些组件允许我将REF2033与3.3 V电源轨断开,并手动将其连接到5 V电压轨。

 

•C27将输出电路转换为低通滤波器。选择电容以产生约1.6MHz的截止频率。截止频率的公式如上图所示为双极运算放大器电路。

 

结论

 

您可以使用以下链接下载完整的原理图。我们现在讨论了构成AWG板功能核心的电路。关于线性稳压器,电源开关等,没有什么可说的,这里讨论传声器(U7)。在下一篇文章中,我们将看一下布局。

 

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计