基于TI（德州儀器）乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8802的程控增益放大研究

北京郵電大學(xué)　林泊安

基于TI（德州儀器）乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8802的程控增益放大研究

北京郵電大學(xué)林泊安

本次研究使用德州儀器的程控增益模塊器件，基于乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8802的程控增益放大模塊進(jìn)行測(cè)試，并且以喇叭輸出音頻外放信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試過(guò)程中首先使用示波器雙蹤觀察輸入輸出波形，并且分別測(cè)量程控增益放大和衰減兩種情況，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算理論值與實(shí)際值。之后在接入外放的音頻信號(hào)，測(cè)試了放大的效果。

程控增益；數(shù)模轉(zhuǎn)換；音頻；放大

1　研究概述

1.1程控增益放大器簡(jiǎn)介

程控增益放大器的基本形式是由運(yùn)算放大器和模擬開(kāi)關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成。模擬開(kāi)關(guān)則由數(shù)字編碼控制。數(shù)字編碼可用數(shù)字硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可用計(jì)算機(jī)硬件根據(jù)需要來(lái)控制。

程控增益放大器與普通放大器的差別在于反饋電阻網(wǎng)絡(luò)可變且受控于控制接口的輸出信號(hào)。不同的控制信號(hào)，將產(chǎn)生不同的反饋系數(shù)，從而改變放大器的閉環(huán)增益。在現(xiàn)實(shí)世界中，測(cè)量信號(hào)的電平往往存在很大的不同，普通放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并不能與之一一匹配，使A/D轉(zhuǎn)換器的精度不能最大限度地利用，或致使被測(cè)信號(hào)削頂飽和，造成很大的測(cè)量誤差。因此，程控增益放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)和各種智能儀器儀表中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

1.2DAC發(fā)展背景及現(xiàn)狀

DAC的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管到集成電路的過(guò)程。單片DAC工業(yè)化生長(zhǎng)始于上個(gè)世紀(jì)70年代，70年代初，所有元件都被集成在一個(gè)芯片上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器研制成功，它標(biāo)志著數(shù)模轉(zhuǎn)換器正式進(jìn)入批量大規(guī)模生產(chǎn)的階段，擺脫了精心挑選轉(zhuǎn)換器中原器件 的麻煩，從而大大降低了成本沒(méi)提高了可靠性。進(jìn)入90年代以來(lái)，由于數(shù)字化的影響，供應(yīng)商品種類急劇增加。并且DAC可以構(gòu)造ADC，所以DAC的占有比重較高?？v觀整個(gè)DAC的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)DAC的研究一直朝著3個(gè)方向發(fā)展，一是以提高速度為主，二是以提高精度為主，三是兼顧速度與精度。由于高速高精度DAC有比普通更多的優(yōu)點(diǎn)從而成為DAC發(fā)展的潮流。

1.3研究主要內(nèi)容概述

基于如上所示的研究背景，本研究的主要目的是根據(jù)已有的DAC8802數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及外置TIVA控件進(jìn)行程控增益放大和衰減的研究，調(diào)整傳遞到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的值來(lái)控制放大的倍數(shù)，同時(shí)測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)并處理后進(jìn)行比較。通過(guò)所得到的結(jié)果進(jìn)行實(shí)際的分析，再使用外界的音頻將聲音信號(hào)傳遞進(jìn)去，通過(guò)芯片得到輸出信號(hào)，最后通過(guò)喇叭外放信號(hào)，從而進(jìn)行研究結(jié)果的總結(jié)和性能的分析。

圖2-1　程控放大原理圖

2　研究原理及技術(shù)架構(gòu)

如圖2-1所示，本模塊的核心部分由一片14雙通道串行接口乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8802芯片組成的程控放大和衰減部分。其自身通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，如圖2-2所示，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（單向傳輸時(shí)）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時(shí)鐘）、CS（片選）。其中，CS是控制芯片是否被選中的，也就是說(shuō)只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（高電位或低電位），對(duì)此芯片的操作才有效。

這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。接下來(lái)就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。通訊是通過(guò)數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)摹＿@就是SCLK時(shí)鐘線存在的原因，由SCLK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過(guò) SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

另外，由Tiva傳輸?shù)腸ode值決定放大/衰減幅值。程序成功燒寫(xiě)后，Tiva LaunchPad進(jìn)行LCD的初始化、ADC采樣初始化以及SSI初始化，通過(guò)調(diào)節(jié)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使Tiva讀取滾輪ADC采樣值，同時(shí)滾輪所調(diào)節(jié)的CODE碼值以十進(jìn)制數(shù)碼顯示于自身LCD顯示屏中，Tiva接受的12位信號(hào)變?yōu)?4位傳輸?shù)紻AC8802芯片，14位信號(hào)鎖存于串行輸入寄存器中，控制其中的R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)14個(gè)選通開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，另有兩位數(shù)據(jù)專門(mén)控制程控增益或衰減模塊的運(yùn)作。而后Tiva讀取電壓（PD2）采樣值，通過(guò)相應(yīng)公式轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓并進(jìn)行峰值檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果顯示與LCD屏中。

圖2-2　SPI通信協(xié)議

3　測(cè)試情況及數(shù)據(jù)處理

3.1程控增益與衰減的波形觀察

在原理圖2-1中，DAC8802處于圖的中間位置，輸入信號(hào)從圖3-1的下方DAC_IN傳遞進(jìn)來(lái)，通過(guò)低通濾波器后可以分別從CH1或者CH2進(jìn)入DAC8802中，其中CH1進(jìn)入程控放大模塊，CH2進(jìn)入程控衰減模塊，再?gòu)膱D3-1上方的AMP_OUTA接入示波器觀察輸入輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)滾輪可以觀察到波形的變化情況。

圖3-1　TI測(cè)試版

得到的程控增益波形情況如圖3-2所示：

圖3-2　程控增益波形

得到的程控衰減波形LCD顯示情況如圖3-3所示：

圖3-3　程控衰減波形與LCD顯示

將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和整理，得到的數(shù)據(jù)記錄在表3-1中。

表3-1　程控放大與衰減放大倍數(shù)與誤差

從表3-1中可以清晰的看出，測(cè)量誤差一般都在0.6%以內(nèi)，可以認(rèn)為測(cè)試數(shù)據(jù)基本準(zhǔn)確，測(cè)量目的基本達(dá)到。

3.2程控增益音頻輸出測(cè)試

根據(jù)以上對(duì)于理想信號(hào)的程控增益放大和衰減的測(cè)試取得成功后，我們正式開(kāi)始試驗(yàn)其對(duì)于音頻信號(hào)的程控放大性能，測(cè)試原理圖如圖3-4，測(cè)試步驟如下：

（1）首先用ccs燒寫(xiě)代碼到LaunchPad中；

（2）在木板上TIVA，MDAC和液晶連接完成；

（3）在MDAC模塊上完成跳線連接；

（4）用杜邦線將話筒連接到MIC，將擴(kuò)音機(jī)連接到J4；

（5）打開(kāi)TIVA開(kāi)關(guān)，并用示波器進(jìn)行雙蹤觀察，同時(shí)觀察兩信號(hào)相減的情況；

（6）短接J3的1、2，調(diào)節(jié)滾輪，聽(tīng)聲音的變化。

圖3-4　音頻輸出測(cè)試原理圖

觀察的波形如圖3-5所示，可以從測(cè)試中明顯聽(tīng)出音頻信號(hào)的放大，尤其是當(dāng)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的增加時(shí)，音頻信號(hào)的放大更加明顯。

圖3-5　音頻測(cè)試時(shí)的示波器波形

4　降噪措施

從這一次的測(cè)試中可以看出，程控增益放大模塊對(duì)于音頻信號(hào)的支持非常好，并且在經(jīng)過(guò)調(diào)整之后基本可以保證無(wú)失真的恢復(fù)原信號(hào)，這一點(diǎn)是非常不容易的。在一開(kāi)始測(cè)試的時(shí)候，喇叭雖然也可以在一定程度上放大信號(hào)，但是總是有“沙沙”的響聲，后來(lái)我們采用將駐極體管腳扭曲對(duì)折的方法提高其與MIC的穩(wěn)定度，使干擾的噪聲減小，這對(duì)于測(cè)試的順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用。從圖3-5中可以看出，在基波PWM波頻率約為242KHz的情況下，基本可以較好無(wú)失真的恢復(fù)原信號(hào)，從而可以看出，這套德州儀器提供的程控增益模塊具有較為良好的性能。

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［5］TI官方網(wǎng)站對(duì)于Tiva的介紹：http：//www.ti.com/tool/sw-tm4c.