PWM高精度輸出12bitDA

1、利用單片機(jī)構(gòu)成高精度 PWM 式 12 位 D/A一.前言在用單片機(jī)制作的變送器類和控制器類的儀表中，需要輸出 15V 或 420mA 的直流信號(hào)的時(shí)候，通常采用專用的 D/A 芯片，一般是每路一片。當(dāng)輸出信號(hào)的精度較高時(shí)，D/A芯片的位數(shù)也將隨之增加。在工業(yè)儀表中，通常增加到 12 位。12 位 D/A 的價(jià)格目前比單片機(jī)的價(jià)格要高得多，占用的接口線數(shù)量也多。尤其是在需隔離的場(chǎng)合時(shí)，所需的光電耦合器數(shù)量與接口線相當(dāng)，造成元器件數(shù)量大批增加，使體積和造價(jià)隨之升高。如果在單片機(jī)控制的儀表里用 PWM 方式完成 D/A 輸出，將會(huì)使成本降低到 12 位 D/A 芯片的十分之一左右。我們?cè)?S 系列

2、流量?jī)x表中采用了這種方式，使用效果非常理想。下面介紹一下 PWM 方式D/A 的構(gòu)成原理。二 .電路原理一般 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器在手冊(cè)中給出的精度為蟲/2LSB,溫度漂移的綜合指標(biāo)在 2050ppm/C,上述兩項(xiàng)指標(biāo)在 0.2 級(jí)儀表中是可以滿足要求的，下面給出的電路可以達(dá)到上述兩項(xiàng)指標(biāo)。圖 1 中的 T 是固定寬度，。的寬度是可變的。分為 5000 份，每份 2us。所以。的最大值向ax=2X5000=10000us,這就是 T 的寬度。當(dāng)T 時(shí)，占空比為 1,Vo=5.000V,=0 寸，Vo=0Vo 這種脈沖電壓經(jīng)過兩級(jí) RC 濾波后得到的電壓可由下式表示：丫。=尹H+5,口。V圖

3、2VM必須是精密電壓源。Vo 與占空比成正比，且線性較好，這種方式在理論上是很成熟的，但實(shí)際應(yīng)用上還存在一些問題。圖 2 是實(shí)際線路，其中單片機(jī)可用 8098 或 8031 兩種常用芯片，VM的數(shù)值為 5.000V2mV,D/A 與單片機(jī)必須是電氣隔離的。否則數(shù)字脈沖電流產(chǎn)生的干擾會(huì)影響D/A 精度，從示波器可以看到高達(dá) 50mV 的干擾毛刺電壓，因此有必要加光電隔離。經(jīng)隔離后的脈沖驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān) CD4053。CD4053 是三組兩觸點(diǎn)模擬開關(guān)，由 PWM脈沖控制開關(guān)的公共接點(diǎn)使之與+5.000V 和地接通，在 VI得到與單片機(jī)輸出相一致的 PWM波形。該波形經(jīng)兩級(jí) RC 濾波后由運(yùn)放構(gòu)成的電

4、壓跟隨器輸出 Vo。其中 RC 的時(shí)間常數(shù)一般取 R82T,這樣兩級(jí) RC 加起來就會(huì)得到紋波小于 3mV 的直流電壓，本電路中 RC=220ms,如果想進(jìn)一步減小紋波，可適當(dāng)提高 RC 的乘積，但電路的響應(yīng)速度也會(huì)放慢。用運(yùn)放做 RC 濾波器輸出的緩沖大有益處。它不僅提高了濾波電路帶載能力，而且使線性度得到了提高。通過實(shí)驗(yàn)可知，這一級(jí)運(yùn)放的的緩沖作用是保證整個(gè) D/A 精度和線性度的重要環(huán)節(jié)。盡管 RC 濾波器無負(fù)載，處在非常理想的條件下工作，但 Vo 并不完全與占空比成正比。經(jīng)測(cè)試，Vo 與理想值有一些誤差，如圖 3 所示。圖中的曲線 1 表示理想值，曲線 2 表示實(shí)測(cè)值。由圖中可見，曲線

5、 2 的根部不太理想。這是因?yàn)樗褂玫碾娙莶皇羌冸娙?，其中含有一定的電感。在占空比極小時(shí)，由于脈沖非常窄，它產(chǎn)生的高次諧波的頻率很高，電感對(duì)高次諧波的感抗較大，因此在脈沖沿的位置上，盡管電壓變化很大，但實(shí)際實(shí)際給電容充電卻很小。這樣就在窄脈沖時(shí)產(chǎn)生非線性。當(dāng)采用無感電容時(shí)，這種非線性有較大改善，但仍不能完全吻合。由于無感電容容量太小，價(jià)格也較高，所以在大時(shí)間常數(shù)濾波電路中沒有實(shí)際意義。在實(shí)際使用中解決這一問題的方法是舍棄根部非線性部分，只用線性部分，在工業(yè)儀表中，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)一般為 15V 或 420mA。而曲線 2 的非線性部分在 0.4V 以下，所以當(dāng)采用 15V 輸出信號(hào)時(shí)，精度為 0.0

6、3%完全滿足 12 位 D/A 要求。除精度滿足要求外，溫度特性也必須滿足要求。影響溫度特性的原因主要是 5V 精密電源和運(yùn)算放大器的溫度特性。為不使價(jià)格太高，選用 2DW232 精密穩(wěn)壓二極管，運(yùn)放的電阻與濾波電阻要匹配且溫度系數(shù)RsIs=Vo/Rs 因此，圖 3 中取 Rs=100 歐，當(dāng)調(diào)理電路輸出 0.42V 的時(shí)候，總耗電電流 420mA.若不能滿足 R2Rs&沒關(guān)系，Rs 與 R2 并聯(lián)(Rs/R2)是個(gè)固定值，Is 與 Vo 仍然是線性關(guān)系，誤差比例系數(shù)在校準(zhǔn)時(shí)可以消除。除了電路正確以外，該電路正常工作還需要 2 個(gè)條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流還要供給調(diào)理電路以

7、及變送器。其次要求運(yùn)放能夠單電源工作，即在沒有負(fù)電源情況下，輸入端仍能夠接受 0V 輸入，并能正常工作。LM358/324 是最常見也是價(jià)格最低的單電源運(yùn)放，耗電 400uA/每運(yùn)放，基本可以接受。單電源供電時(shí)，輸入端從-0.3VVcc-1.5V 范圍內(nèi)都能正常工作。如果換成 OP07 等精密放大器，因?yàn)檩斎氩辉试S低至 0V,在該電路中反而無法工作。R5 和 U1 構(gòu)成基準(zhǔn)源，產(chǎn)生 2.5V 穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。LM38 腿低成本的微功耗基準(zhǔn)，20uA 以上即可工作，手冊(cè)上給出的曲線在 100uA 附近最平坦，所以通過 R5 控制電流 100uA 左右。OP2 構(gòu)成一個(gè)同向放大器，將基準(zhǔn)放大，向調(diào)

8、理電路及傳感器供電。因?yàn)閷捿斎腚妷?、低功耗的穩(wěn)壓器稀少，成本高；將基準(zhǔn)放大作為穩(wěn)壓電源是一個(gè)廉價(jià)的方案。該部分電路也可以選擇現(xiàn)成的集成電路。比如 XTR115/116/105 等，精度和穩(wěn)定性比自制的好，自身功耗也更低(意味著能留更多電流給調(diào)理電路，調(diào)理部分更容易設(shè)計(jì))。但成本比上述方案高 10 倍以上.4 .兩線制壓力變送器設(shè)計(jì)壓力橋、稱重傳感器輸出信號(hào)微弱，都屬于 mV信號(hào)。這一類小信號(hào)一般都要求用差動(dòng)放大器對(duì)其進(jìn)行第一級(jí)放大。 一般選用低失調(diào)、 低溫飄的差動(dòng)放大器。 另外在兩線制應(yīng)用中，低功耗也是必需的。AD623 是常用的低功耗精密差動(dòng)放大器，常用在差分輸出前級(jí)的放大。AD623 失調(diào)

9、最大 200uV,溫飄 1uV/度，在一般壓力變送應(yīng)用保證了精度足夠。R0 將0.4V 疊加在 AD623 勺 REF 卻(5 腳)上，在壓力=0 情況下通過調(diào)整 R0 使輸出 4mA 再調(diào)整 RG 輸出20.00mA 完成校準(zhǔn)。電路設(shè)計(jì)時(shí)需注意，壓力橋傳感器相當(dāng)于一個(gè)千歐級(jí)的電阻，耗電一般比較大。適當(dāng)降低壓力橋的激勵(lì)電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高 AD623 的增益。圖 6 給出的傳感器采用恒壓供電， 實(shí)際應(yīng)用中大部分半導(dǎo)體壓力傳感器需要恒流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成恒流源為其提供激勵(lì)。5 .穩(wěn)定性和安全性的考慮工業(yè)環(huán)境下環(huán)境惡劣且對(duì)可靠性要求高，

10、 因此兩線制變送器的設(shè)計(jì)上需要考慮一定的保護(hù)和增強(qiáng)穩(wěn)定性措施。1.電源保護(hù)。電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見的電源問題。電源接反是設(shè)備安裝接線時(shí)最容易發(fā)生的錯(cuò)誤，輸入口用一只二極管即可防止接反電源時(shí)損壞電路。如果輸入端加一個(gè)全橋整流器，那么即使電源接反仍能正常工作。為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一只 TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般 TVS 電壓值取比運(yùn)放極限電壓略低，才能起到保護(hù)作用。如果可能遭受雷擊，TVS 可能吸收容量不夠，壓敏電阻也是必需的，但是壓敏電阻本身漏電會(huì)帶來一定誤差。2.過流保護(hù)。設(shè)備運(yùn)行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯(cuò)誤情況發(fā)生?；蛘咻斎?/p>

11、量本身很有可能超量程，變送器必須保證任何情況下輸出不會(huì)無限制上升，否則有可能損壞變送器本身、電源、或者遠(yuǎn)方顯示儀表。圖中 Rb 和 Z1 構(gòu)成了過流保護(hù)電路。無論什么原因?qū)е?OP1 輸出大于 6.2V（1N4735 是 6.2V 穩(wěn)壓管），者除被 Z1 鉗位，Q1 的基極不可能高于 6.2V。因此 Re 上電壓不可能高于 6.2-0.6=5.6V,因此總電流不會(huì)大于Ue/Re=5.6V/200=28mA3.寬電壓適應(yīng)能力。一般兩線制變送器都能適應(yīng)大范圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類電源，同時(shí)能夠適應(yīng)大的負(fù)載電阻。對(duì)電源最敏感的部分是基準(zhǔn)源，同時(shí)基準(zhǔn)源也是決定精度的主要元件。3 樓圖中基準(zhǔn)通過R5 限流，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，R5 上電流也隨之改變，對(duì)基準(zhǔn)穩(wěn)定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334 為基準(zhǔn)供電，電壓大范圍變化時(shí)，電流基本不變，保證了基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。4.退藕電容一般的電路設(shè)計(jì)中，每個(gè)集成電路的電源端都會(huì)有退藕電容。在兩線制變送器上電時(shí)，這些電容的充電會(huì)在瞬間導(dǎo)致大電流，有可能會(huì)損壞遠(yuǎn)方儀表。因此每個(gè)退藕電容一般不超過 10nF,總退藕電容