一種基于pwm的電壓輸出dac電路設(shè)計(jì)

1、一種基于一種基于PWMPWM的電壓輸出的電壓輸出DACDAC電路設(shè)計(jì)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DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)是經(jīng)常需要同時(shí)使用的，然而許多單片機(jī)內(nèi)部并沒(méi)有集成DAC即使有些單片機(jī)內(nèi)部集成了DACDAC的精度也往往不高，在高精度的應(yīng)用中還是需要外接DAC，這樣增加了成本。但是，幾乎所有的單片機(jī)都提供定時(shí)器或者PWM輸出功能。如果能應(yīng)用單片機(jī)的PWM輸出（或者通過(guò)定時(shí)器和軟件一起來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM輸出），經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的變換電路

2、就可以實(shí)現(xiàn)DAC，這將大量降低成本電子設(shè)備的成本、減少體積，并容易提高精度。本文在對(duì)PWM到DAC轉(zhuǎn)換關(guān)系的理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出輸出為0～5V電壓的DAC。1應(yīng)用應(yīng)用PWMPWM實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)DACDAC的理論分析的理論分析PWM是一種周期一定而高低電平的占空比可以調(diào)制的方波信號(hào)，圖1是一種在電路中經(jīng)常遇到的PWM波。該P(yáng)WM的高低電平分別為VH和VL，理想的情況VL等于0，但是實(shí)際中一般不等于0，這往往是應(yīng)用中產(chǎn)生誤差的一個(gè)主要原因。

3、圖1的PWM波形可以用分段函數(shù)表示為式（1）：其中：T是單片機(jī)中計(jì)數(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)脈沖個(gè)數(shù)，VH和VL分別是PWM波中高低電平的電壓值，k為諧波次數(shù)，t為時(shí)間。把式(1)所表示的函數(shù)展開成傅里葉級(jí)數(shù)［1］，得到式(2)：從式（2）可以看出，式中第1個(gè)方括弧為直流分量，第2項(xiàng)為1次諧波分量，第3項(xiàng)為大于1次的高次

4、諧波分量。式（2）中的直流分量與n成線性關(guān)系，并隨著n從0到N，直流分量從VL到VLVH之間圖3的PWM波的VH和VL受到MCU輸出高低電平的限制，一般情況下VL不等于0V，VH也不等于VCC。例如，對(duì)于單片機(jī)AT89C52［23］，當(dāng)VCC為＋5V時(shí)，VH和VL分別為4.5V和0.45V左右，而且該數(shù)值隨著負(fù)載電流和溫度而變化。根據(jù)式(2)的直流分量可知，DAC電壓輸出只能在0.45~4.5V之間變化，而且隨負(fù)載電流和環(huán)境溫度變化，

5、精度很難保證。由于該電路的變化部分精度不高，沒(méi)有必要采用高分辨率的PWM輸出，8位即可。另外圖2的DAC輸出的負(fù)載能力也比較差，只適合與具有高輸入阻抗的后續(xù)電路連接。因此，圖3的電路只能用在對(duì)DAC輸出精度要求不高、負(fù)載很小的場(chǎng)合。對(duì)精度和負(fù)載能力要求較高的場(chǎng)合，需要對(duì)圖3的電路進(jìn)行改進(jìn)，增加基準(zhǔn)電壓、負(fù)載驅(qū)動(dòng)等電路。圖4的電路在圖3電路的基礎(chǔ)上增加了開關(guān)管T1、基準(zhǔn)電壓源LM3365和輸出放大器TLV2472。MCU從A點(diǎn)輸出的PWM

6、波驅(qū)動(dòng)T1的柵極，T1按照PWM的周期和占空比進(jìn)行開關(guān)。T1為低導(dǎo)通電阻和開關(guān)特性好的開關(guān)管，如IRF530［4］，其典型導(dǎo)通電阻小于0.16Ω，而截止電阻卻非常大，與T1并聯(lián)的為基準(zhǔn)電壓LM3365。圖4的B點(diǎn)將得到理想的PWM波形，即：VH=5V，VL=0V，波形為方波。A點(diǎn)的PWM波，經(jīng)過(guò)整形得到B點(diǎn)理想PWM波，B點(diǎn)的PWM波再經(jīng)過(guò)兩級(jí)阻容濾波在C點(diǎn)得到直流分量，即MCU輸出的調(diào)制PWM波在C點(diǎn)得到解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了DAC功能。根據(jù)式

7、(2)可知，C點(diǎn)的電壓為(5nN)V，為0～5V之間的電壓。由于放大器A1的輸入阻抗很大，二級(jí)阻容濾波的效果很好，C點(diǎn)的電壓紋波極小，滿足高精度要求。輸出放大器采用TLV2472，工作在電壓跟隨器方式，他是一個(gè)Railtail放大器，他的輸出電壓的跨度幾乎等于電源電壓幅度，因此可以得到0V的電壓輸出，克服了一般放大器（如LM324TL071等）輸出電壓跨度比電源電壓范圍小1V左右這一缺點(diǎn)。圖4與圖3還有一點(diǎn)重要的不同是，圖4的電源電壓為

8、6V，而圖3為5V。圖4中在MCU接電源電壓中串聯(lián)了二極管，他起降壓的作用，因?yàn)橐话愕腗CU工作電源范圍為4.5～5.5V之間。圖4中采用電源電壓為6V是為了保證LM3365能正常工作。圖4的電路采用的電路和電容沒(méi)有特殊的要求，很容易調(diào)試。由于PWM波很容易通過(guò)MCU的軟件進(jìn)行控制，即使電路稍微有些系統(tǒng)誤差，也很容易通過(guò)軟件進(jìn)行校正。因此，圖4的電路可以得到高精度的DAC輸出。3結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ)本文在對(duì)PWM波形組成進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出了