基于單片機(jī)的高精度PWM式12位DA轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1、    基于單片機(jī)的高精度PWM式12位D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte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

2、420mA的直流信號的時(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，將會使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。我們在S系列流量儀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)換器在手冊中給出的精度為±1/2LS

3、B，溫度漂移的綜合指標(biāo)在2050ppm/，上述兩項(xiàng)指標(biāo)在0.2級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max=2×5000=10000us，這就是T的寬度。當(dāng)=T時(shí)，占空比為1，Vo=5.000V，=0時(shí)，Vo=0V。這種脈沖電壓經(jīng)過兩級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5.00

4、0V±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RC2T，這樣兩級RC加起來就會得到紋波小于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)速度也會放慢。 用運(yùn)放做R

5、C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)測值。由圖中可見，曲線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

6、。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輸出信號時(shí)，精度為0.03%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)25ppm。運(yùn)算放大器選擇溫漂10uV/的均可，一般廉價(jià)低溫漂運(yùn)放都可滿足這個(gè)指標(biāo)。采用上述措施后D/A的總溫度漂為33ppm/。三.實(shí)測數(shù)據(jù)由于這個(gè)線路是在0.2級精密儀表中