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可否利用DAC來改變交流信號的幅值？

發(fā)布時間：2020-05-12 來源：卓晴 責任編輯：wenwei

【導讀】使用電位器可以很方便在信號源的驅動下形成一個幅值可以調節(jié)的交流信號源。這比起使用通常的可編程直流電源，或者DAC輸出電壓來說，輸出的是幅度可以變的交流信號源，可以用于很多的自動測量環(huán)節(jié)。
 
01緣起
 
1.為什么討論電子電位器？
 
為什么要討論使用一個 DAC[1]來作為一個電位器呢？這里面主要原因如下：
 
●  使用電位器可以很方便在信號源的驅動下形成一個幅值可以調節(jié)的交流信號源。這比起使用通常的可編程直流電源，或者DAC輸出電壓來說，輸出的是幅度可以變的交流信號源，可以用于很多的自動測量環(huán)節(jié)。
 
●  為什么不直接使用 機械電位器[2]來改變信號源的幅值呢？還是一個原因，那就是自動可編程改變信號的幅值。
 
●  現(xiàn)在有數(shù)字電位器，比如 X9C102,X9C103,X9C104[3],AD5272等，為什么不使用它們來實現(xiàn)對交流信號源進行幅值改變呢？這里面一個主要原因就是器件的頻帶寬度[4](https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134132 "X9C102,X9C103,X9C104"),AD5272等，為什么不使用它們來實現(xiàn)對交流信號源進行幅值改變呢？這里面一個主要原因就是器件的頻帶寬度[^4068]的問題。相比于機械電位器，這些電子電位器（變阻器）都具有相對較窄的工作頻帶寬度，對于高頻信號不適合。
 
2.為什么使用DAC做電位器？
 
●  DAC用作電位器改變交流信號原理;
●  使用DAC來分壓交流信號的優(yōu)點是什么？
●  是否能夠克服前面數(shù)字電位器的頻帶過窄的問題？
 
寫這些話的時候，我還不知道具體答案，下面就通過實驗來驗證一下吧。
 
02實驗電路
 
最近，剛剛購買了幾片16bit的DAC芯片 DAC8830IDR[5]（價格6.6），具有SPI接口，基于該DAC來驗證一下前面的思路的可行性。
 
1.實驗電路設計
 
由于DAC8830使用SPI接口來設置輸出電壓，使用STC8G1K（SOP16）作為控制器來完成對它的信號控制。
 
1）SCH [6]
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 原理圖設計
 
2）PCB
 
對于實驗原理圖進行LAYOUT，盡可以滿足單面PCB板制作的工藝要求?？焖僦瓢嬷蟮玫綄膶嶒炿娐钒濉?/div>
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 實驗電路板的PCB設計
 
2.MCU軟件編程[7]
 
1) DA8830訪問子程序
 
使用STC8G的SPI端口對DA8830進行訪問。根據(jù)DA8830的SPI讀寫時序，相應的DAC8830寫入轉換（16bit）數(shù)據(jù)的子程序為：
 
void DAC8830Set(unsigned int nDAC) {  
    OFF(DAC8830_CS);  
      
    SPISendChar((unsigned char)(nDAC >> 8));  
    SPISendChar((unsigned char)nDAC);  
      
    ON(DAC8830_CS);  
      
}
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ DA8830的SPI讀寫時序
 
對應的DA8830的CS，SPK的波形為：
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 示波器觀察到DA8830的CS，CLK的波形
 
從上面波形可以看出，DAC8830Set()函數(shù)的執(zhí)行時間在STC8G1K17（35MHz）執(zhí)行中的時間大約為可否利用DAC來改變交流信號的幅值？。
 
在靜態(tài)下，通過兩個可否利用DAC來改變交流信號的幅值？電阻組成的參考電壓分壓電路，生成大約2.5V的參考電壓。實際測量電壓為：可否利用DAC來改變交流信號的幅值？。
 
根據(jù)DA8830數(shù)據(jù)手冊，DAC8830的參考電壓輸入阻抗大約為：可否利用DAC來改變交流信號的幅值？。因此，理論計算所得到的參考電壓為：
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
 
這個數(shù)值比起前面實際測量得到的可否利用DAC來改變交流信號的幅值？要大，這說明對應的DA8830的參考電壓管腳的阻抗比起可否利用DAC來改變交流信號的幅值？還要小。
 
為了便于測量數(shù)據(jù)波形，調用DA8830Set（）函數(shù)中的輸入?yún)?shù)為可否利用DAC來改變交流信號的幅值？。那么輸出電壓計算值應該為：
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
 
實際測量DA8830的輸出電壓為：可否利用DAC來改變交流信號的幅值？。
 
2) 輸出電壓波形
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 每1ms寫入DAC8830遞增數(shù)據(jù)的CS，DI數(shù)據(jù)波形
 
寫入遞增的數(shù)據(jù)，輸出波形。
 
for(;;) {  
    WaitTime(1);  
    //----------------------------------------------------------------------  
    DAC8830Set(nShowCount);  
    nShowCount += 0x200;  
    //----------------------------------------------------------------------  
}  
  
此時Dout輸出遞增的鋸齒波形。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 輸出遞增的鋸齒波形
 
03參考電壓與輸出信號
 
下面經(jīng)過幾組實驗，來驗證DAC的參考電壓對于輸出信號的影響。
 
1.參考電壓的有效范圍
 
在DAC8830的數(shù)據(jù)手冊中，對于參考電壓的輸入范圍給定的是1.25V ~ Vpp。下面通過一組實驗來測試實際的有效輸入?yún)⒖茧妷悍秶?/div>
下面通過在某一給定的DAC8830的設置下，給定Vref，測量對應的實際輸出。將三種不同設置下的輸出電壓與參考電壓之間的關系繪制在一起。從圖中可以看到，實際上，DA8830的參考電壓對于輸出電壓的等比例的影響范圍是在整個的工作電壓（0~5V）之內都有效。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 將三種不同設置下的參考電壓與輸出電壓繪制在一起
 
2.輸入交變的參考電壓
 
1）在Vref加入交流電壓波形
 
在Vref中加入100Hz左右正弦波，設置DAC8830轉換值為0x7fff，輸出的電壓波形如下圖所示。可以看到輸出（Blue）的電壓波形等于Vref(Cyan)的一半。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ DAC8830的Dout(Cyan)與Vref(Blue)的波形
 
當設置為0xffff的時候，輸入的波形就與輸入一致了。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ DAC8830的Dout(Cyan)與Vref(Blue)的波形
 
2）輸入高頻方波波形
 
為了測試從Vref到Vout之間的頻帶寬度，在Vref中加入高頻方波信號，觀察輸出的Vout的信號。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 加入高頻方波信號Vref(Blue)觀察輸出信號Vout(Cyan)
 
將波形再次展開，觀察輸出的過渡過程。
 
展開波形，對比輸入輸出波形，可以觀察到Vref到Vout之間的帶寬應該超過1MHz。按照DAC8830數(shù)據(jù)手冊上關于參考電壓 -3dB帶寬的參數(shù)，典型值為1.3MHz。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 加入高頻方波信號Vref(Blue)與輸出信號Vout(Cyan)波形
 
3.使用DAC對交流信號進行調幅
 
下面將固定的交流電壓（有直流分量，使得信號始終大于零）施加在Vref，測量Vout隨著DAC8830的設置值的變化情況。
 
施加的電壓頻率可否利用DAC來改變交流信號的幅值？，幅值可否利用DAC來改變交流信號的幅值？。
 
輸出電壓值如設置數(shù)值之間的關系為：
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 輸出電壓值與設置值之間的關系
 
可以看到整體上輸出與設置值之間的關系呈現(xiàn)非常好的線性關系。
 
注意到在曲線的一開始似乎有一些略微的非線性。下面重新采集設置值范圍在（0,0x3ff）范圍內的輸出電壓與設置值之間的關系曲線。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 輸出電壓值與設置值之間的關系
 
可以看到在起始的時候，由于系統(tǒng)存在噪聲，使得輸出的電流電壓與設定值之間存在一定的非線性。當理論輸出電壓小于系統(tǒng)地線上的噪聲電壓時，使用交流萬用表測量得到的數(shù)值就會偏大。
 
下面重新對頻率為可否利用DAC來改變交流信號的幅值？的信號測量輸出電壓與設定值之間的關系。結果與1kHz的情形相同。只是輸出整體的增益下降了。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 輸出電壓值與設置值之間的關系
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
 
增益變化了9%左右。
 
4.信號超量程
 
當輸入信號的幅值超過DAC8830d的工作電壓，或者低于0V，輸出都會出現(xiàn)截止。
 
可否利用DAC來改變交流信號的幅值？
▲ 輸入信號超過+5V，低于0V的情況
 
結論
 
通過前面的實驗，可以看到，使用DAC8830來當做電位器獲得幅度可變的交流信號源是可行的。它具有很寬的信號帶寬，并且輸出信號的幅值與設置信號之間具有非常好的線性關系，只是在信號比較小的時候輸出會受到系統(tǒng)和芯片本身的噪聲影響。
 
當輸入信號超出了DAC8830的工作電壓，或者低于0V時，輸出信號都會截止。所以在使用的時候，需要通過一定的信號偏置的方式將交流信號平移到始終在0~5V（DAC8830工作電壓）范圍之后進行調試，然后可以再通過隔直電容去掉信號中的偏移量。
 
參考資料
 
[1] DAC: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%A8%A1%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8/4634384?fromtitle=DAC&fromid=1196661&fr=aladdin
[2] 機械電位器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104089780
[3] X9C102,X9C103,X9C104: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134132
[4] 頻帶寬度: 器件的輸出增益隨著信號頻率的改變而下降，最終形成的最大等效輸出帶寬
 
 
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