基于PWM實(shí)現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換

1、基于PWM實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)在電子和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用中，單片機(jī)和D/A是經(jīng)常需要同時(shí)使用的，在一般的應(yīng)用中外接昂貴的D/A轉(zhuǎn)換器，這樣就增加了成本。但是，幾乎所有的單片機(jī)有提供了定時(shí)器，甚至直接提供PWM輸出功能。這就能夠通過單片機(jī)的PWM輸出，再加上簡(jiǎn)單的外圍電路及對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM的信號(hào)處理，得到穩(wěn)定，精確的模擬輸出，以實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，這將大大降低電子設(shè)備的成本，減小體積，并容易提高精度。2.4.1.1應(yīng)用PWM實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的理論分析應(yīng)用周期一定而高低電平的占空比可以調(diào)制的PWM方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到D/A轉(zhuǎn)換器的理想方法是：采用模擬低通濾波器濾掉PWM輸出的高頻部分，

2、保留低頻的直流分量，即可得到對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換輸出，低通濾波器的帶寬決定了D/A轉(zhuǎn)換器的帶寬的范圍。圖2.14所示的PWM信號(hào)可以用分段函數(shù)表示為：kVVhUt圖2.14PWM信號(hào)VH,kNT<t<nT+kNTf（t）=>（2.19）VL,kNT+nT<t<NT+kNT,其中：T是單片機(jī)中技術(shù)脈沖的基本周期，即單片機(jī)每隔T時(shí)間記一次數(shù)（計(jì)數(shù)器的值增加或者減少1）,N是PWM波一個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，n是PWM波一個(gè)周期中高電平的計(jì)數(shù)脈沖序號(hào)，Vh和Vl分別是PWM波中高低電平的電壓值，k為整個(gè)周期波序號(hào)，t為時(shí)間。為了對(duì)PWM信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，以下提供了一個(gè)設(shè)計(jì)濾

3、波器的理論基礎(chǔ)。傅里葉變換理論指出，任何一個(gè)周期為T的連續(xù)信號(hào)，都可以表達(dá)為頻率是基頻的整數(shù)倍的正，余弦諧波分量之和。把式（2.19）所表示的函數(shù)展開傅里葉級(jí)數(shù)，得到式（2.20）nVh-Vln2二n二k)(2.20)f(t)=(Vh-Vl)Vl2sin(二)cos(tVh-Vl2HLk-2：N7：NNTNnn,2冗nnsin(k)cos(ktk)NNTN從式（2.20）可以看出，式中第一個(gè)方括弧為直流分量，第二項(xiàng)為第一次諧波分量，第三項(xiàng)為大于一次的高次諧波分量。式（2.20）中的直流分量與n從0到N,直流分量在VlVl+Vh變化，這正是電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換器所需要的。因此，如果能把式（2.2

4、0）中除直流分分量的諧波過濾掉，則可以得到從PWM波到電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，即PWM波可以通過一個(gè)低通濾波器進(jìn)行調(diào)解。式（2.20）中的第二項(xiàng)的幅度和相角與n有關(guān)，頻率為1/NT,該頻率是設(shè)計(jì)低通濾波器的依據(jù)。如果能把1次諧波很好的過濾掉，則高次諧波就應(yīng)該就基本不存在了。根據(jù)上述分析可以得到如圖2.15所示白勺從PWM到D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)處理方塊圖，根據(jù)該方塊圖可以有許多電路實(shí)現(xiàn)方法，在單片機(jī)的應(yīng)用中還可以通過軟件的方法進(jìn)行精確度調(diào)整和誤差的進(jìn)一步校正。PWM輸入APWM整形低通濾波器功率放大模擬D/A輸出圖2.15從PWM到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器分辨率及誤差分析PWM到D/A轉(zhuǎn)換器輸出的

5、誤差來源受兩方面制約：決定D/A轉(zhuǎn)換器分辨率的PWM信號(hào)的基頻和沒有被低通濾波器濾除的紋波。在D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中，分辨率是一個(gè)很重要的參數(shù)，分辨率計(jì)算直接與N和n的可能變化有關(guān)，計(jì)算公式如下：(2.21)NRBits=log()nmin其中RBits是分辨率，nmin是指n的最小變化量（具體見表（2.2）表2.2PWM分辨率PWM參婁NNPWM參婁kn的最小變化量DAC分辨率/位2561810241106553611465535215可以看出，N越大D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高，但是NT也越大，PWM的周期也就越大，即PWM的基頻降低。但是，基頻降低，式（2.21）中的1次諧波周期也就越大，相當(dāng)

6、于1次諧波的頻率也越低，也就會(huì)有更多的諧波通過相同的帶寬的低通濾波器，需要截止頻率很低的低通濾波器，造成輸出的直流分量的紋波更大，導(dǎo)致D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的分辨率降低，D/A轉(zhuǎn)換器輸出滯后也將增加。所以，單純降低PWM信號(hào)的頻率也不能獲得較高的分辨率。一種解決方法就是使T減小，即較小單片機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖寬度（這往往需要提高單片機(jī)的工作頻率），在不降低1次諧波頻率的前提下提高精度。在實(shí)際中，T的較小受到單片機(jī)時(shí)鐘和PWM后續(xù)電路開關(guān)特性的限制。如果在實(shí)際中需要微妙級(jí)的T,則后續(xù)電路需要選擇開關(guān)特性很好的器件，以減小PWM波形的失真。通過以上分析可知，基于PWM輸出的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的誤差，取決于通過

7、低通濾波器的高頻分量所產(chǎn)生的紋波和PWM信號(hào)的高電平穩(wěn)定度這兩個(gè)方面。為獲得最佳的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效果，在選取PWM信號(hào)的頻率時(shí)要適當(dāng)?shù)恼壑?，太小，分辨率高，但濾波器需要更低的截止頻率，同時(shí)限制了輸入PWM信號(hào)的變化頻率；太小，則分辨率下降。實(shí)際電路設(shè)計(jì)電路圖如圖2.15所示。單片機(jī)輸出PWM波（這里建議用STC12C5A32S2單片機(jī)中的16位高速比較模塊來產(chǎn)生這樣比較容易產(chǎn)生16位的PWM波，比用定時(shí)器要容易精確度要高）驅(qū)動(dòng)IRF530（其典型導(dǎo)通電阻為0.16建,而截止電阻卻非常大，這里必須選擇導(dǎo)通電阻小的NMOS管，否則導(dǎo)通的時(shí)候Vgs不可忽略），與IRF530并聯(lián)的是基準(zhǔn)電壓LM336-5V（實(shí)際中由于單片機(jī)的輸出電壓并不穩(wěn)定，所以在用了基準(zhǔn)電壓源LM336-5V來產(chǎn)生穩(wěn)定的高電平5V），在IRF530截止的時(shí)候，PWM的高電平穩(wěn)定的等于5V。OUT點(diǎn)的PWM波，經(jīng)過R1,C1和R2,C2的兩級(jí)的阻容濾波，其截止頻率f0和一階阻容濾波的截止頻率是一樣的，即(2.22),