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(lèi)和控制器類(lèi)的儀表中，需要輸出1—5V或4—20mA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)赟系列流量?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±1/2LSB，溫度漂移的綜合指標(biāo)在20—50ppm/℃，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，τ的寬度是可變的。τ分為5000份，每份2us。所以τ的最大值τmax=2×5000=10000us，這就是T的寬度。當(dāng)τ=T時(shí)，占空比為1，Vo=5.000V，τ=0時(shí)，Vo=0V。這種脈沖電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)RC濾波后得到的電壓可由下式表示:

VM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(wèn)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5.000V±2mV，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(kāi)關(guān)CD4053。CD4053是三組兩觸點(diǎn)模擬開(kāi)關(guān)，由PWM脈沖控制開(kāi)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)成的電壓跟隨器輸出Vo。其中RC的時(shí)間常數(shù)一般取RC≥2T，這樣兩級(jí)RC加起來(lái)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(guò)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(wú)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。