模擬輸出通道設(shè)計(jì)(修訂)

模擬輸出通道設(shè)計(jì)成繼勛2009年5月2011年7月技術(shù)要求分析主要技術(shù)參數(shù)輸出范圍輸出最大允許誤差分辨率負(fù)載能力（最大負(fù)載電阻或最高輸出電壓）動(dòng)態(tài)特性：頻帶寬度，響應(yīng)速度溫度漂移時(shí)間漂移（穩(wěn)定性）其它性能功耗可靠性可制造性（生產(chǎn)調(diào)試簡(jiǎn)單等）性能/價(jià)格比輸出通道的構(gòu)成DAC或PWM或PFM（脈沖頻率調(diào)制）電路（或程序）PWM或PFM-電壓轉(zhuǎn)換電路V/I轉(zhuǎn)換電路隔離電路（可選）參考電源自校準(zhǔn)電路（可選）過載保護(hù)（可選）輸出通道方案單片電路（包括DAC和V/I）或DAC芯片+V/I芯片（含VREF）（DAC可在μP內(nèi)）特點(diǎn)：精度高，穩(wěn)定性可靠性好；價(jià)格稍高。DAC+運(yùn)放構(gòu)成的V/I+VREF，（DAC可在μP內(nèi)）特點(diǎn)：精度易于保證，電路稍復(fù)雜。PWM或PFM-電壓轉(zhuǎn)換電路+V/I芯片（含VREF）特點(diǎn)：精度較易保證，電路稍復(fù)雜。PWM或PFM-電壓轉(zhuǎn)換電路+運(yùn)放構(gòu)成的V/I+VREF。特點(diǎn)：精度較難保證，電路最復(fù)雜；成本較低。如采用隔離方案，一般不能利用μP內(nèi)置的DAC單芯片輸出通道DAC+V/I+VREF：?jiǎn)涡酒珹D4204mA–20mA,0mA–20mAor0mA–24mA電流輸出回路電壓輸出范圍0VtoVCC–2.5V，增加緩沖（運(yùn)放）可得到雙極性輸出16-Bit分辨率單調(diào)±

0.012%最大非線性誤差±

0.05%最大失調(diào)(可調(diào)整)±

0.15%最大總輸出誤差(可調(diào)整)靈活的串行數(shù)字接口(3.3Mbps)在片環(huán)路斷路故障檢測(cè)在片5V參考源(25ppm/℃Max)異步清除功能最大供電電壓32VDAC+V/I+VREF：?jiǎn)涡酒珹D421HART?兼容4mAto20mA電流輸出16-Bit分辨率單調(diào)0.01%最大非線性誤差±0.2%最大總輸出誤差50ppm/℃Max總輸出溫漂5Vor3V電壓調(diào)整器2.5V和1.25V精密參考源，40和50ppm/℃Max750A靜態(tài)電流max可編程電流報(bào)警能力靈活的串行數(shù)字接口單芯片輸出通道DAC+V/I芯片（含REF）：兩芯片DAC:TLC5616/5615，12位/10位4~20mA電流環(huán)芯片：XTR115U/116U低靜態(tài)電流:200μA5V電壓調(diào)整器供外部電路精密參考電源:典型0.05%，最大0.25%;最大35ppm/℃XTR115:2.5V；XTR116:4.096V低非線性誤差:0.003%，最大0.01%低滿度誤差:0.05%，最大0.2%寬環(huán)路供電電壓:7.5Vto36V兩芯片輸出通道PWM-電壓轉(zhuǎn)換電路電路原理：用低通濾波器獲取PWM的直流分量（平均電壓,嚴(yán)格講，應(yīng)是低頻分量）

D為占空比可見，輸出電壓與PWM信號(hào)的高、低電平均有關(guān)，必須穩(wěn)定其高、低電平。附錄：周期矩形脈沖函數(shù)的頻譜（傅立葉級(jí)數(shù)）例：PWM-電壓轉(zhuǎn)換電路為了穩(wěn)定UH和UL，通過一個(gè)采用精密參考電源供電的CMOS門電路（不能用TTL門）給PWM信號(hào)整形，CMOS門的低電平接近于0，高電平接近于電源（可加上拉電阻）。例：MC74VHC1G14要求后面的濾波器為高輸入阻抗。對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求不高的慢變信號(hào)，可使用無源RC濾波器（1階或2階）。對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求高的快變信號(hào)，采用有源高階濾波器。PWM-電壓轉(zhuǎn)換電路無源RC低通濾波器的時(shí)間常數(shù)一階：50～200T，誤差小于0.6%~0.16%二階：?jiǎn)喂?jié)5～10T，誤差小于0.2%~0.05%式中T為PWM信號(hào)的周期計(jì)算方法計(jì)算輸出的基波分量的衰減。對(duì)矩形脈沖信號(hào)，基波分量的幅值約為直流分量的2倍(見附錄)。對(duì)一階RC低通，傳輸函數(shù)（增益）為ω0為基波角頻率。以RC=50T代入約為直流分量的0.006對(duì)二階RC低通，有若已知允許誤差為Δ,令以RC=5T代入約為直流分量的0.002PWM-電壓轉(zhuǎn)換電路有源低通濾波器參數(shù)要求截止頻率（通帶頻率）的選擇：應(yīng)滿足系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求?？梢越频卣J(rèn)為：時(shí)間常數(shù)為截止角頻率的倒數(shù)。例如2階濾波器的阻尼比時(shí)成立。阻帶頻率選擇：應(yīng)使PWM信號(hào)的基頻（f=1/T）位于阻帶，阻帶衰減滿足最大允許誤差的要求：設(shè)最大允許誤差為Δ,則基頻的阻帶衰減應(yīng)大于無源RC濾波器也可以這樣計(jì)算，記?。阂浑ARC濾波器的截止頻率為二階RC濾波器的截止頻率為有源低通濾波器有源低通濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Sallenkey:二階以上有正反饋MFB（MultipleFeedback）有較好的高頻衰減特性和失真特性有源低通濾波器有源二階低通濾波器的頻率特性根據(jù)頻率特性的不同（極點(diǎn)位置的不同），常用的低通濾波器主要有巴特沃思（Butterworth）濾波器通頻帶內(nèi)幅頻特性具有最大平坦段。貝塞爾（Bessel）濾波器通頻帶內(nèi)相頻特性線性最好。切比雪夫（Chebychev）濾波器截止頻率附件衰減快，但通帶內(nèi)有諧振峰，不平坦。濾波器的設(shè)計(jì)可借助濾波器設(shè)計(jì)軟件，如FilterLab、FilterCAD等。有專用的模擬濾波器IC，如MAX274/275,并有專用輔助設(shè)計(jì)軟件。有源低通濾波器巴特沃思（Butterworth）濾波器有源低通濾波器的頻率特性貝塞爾（Bessel）濾波器有源低通濾波器的頻率特性切比雪夫（Chebychev）濾波器有源低通濾波器的頻率特性V/I轉(zhuǎn)換電路基本電路如圖，是一個(gè)電流負(fù)反饋電路。

因?yàn)閂IN=V+=V–=RFIRF（2-25）所以IL≈IRF=VIN/RF

（2-26）該電路的負(fù)載與本電路不能共地，設(shè)備只能浮地工作，有時(shí)還可能使干擾增大。下圖的負(fù)載與本電路共地，但輸入電壓變成了VIN-VCCIL≈IRF=（VIN–VCC）/RF

這種電路給參考電源的設(shè)置帶來不便，因?yàn)樾枰?fù)參考電壓，只能用并聯(lián)型參考電源芯片如LM285，難以使用串聯(lián)型參考電源芯片。V/I轉(zhuǎn)換電路在同相端

（1）

（2）

（3）

（4）在反相端在反饋電阻RF上有由V+=V–和式（1）、（2）、（3）可得右圖是兩種共地輸出的V/I轉(zhuǎn)換電路，對(duì)圖（a）對(duì)圖（b）可得到同樣的結(jié)果。R2/R1為電路的增益。電路均存在誤差，因?yàn)镮c≠Ie，為減小誤差，三極管應(yīng)使用復(fù)合管。V/I轉(zhuǎn)換電路反向輸入的V/I轉(zhuǎn)換電路同相端可加調(diào)零電壓電路優(yōu)缺點(diǎn)圖1、圖2的電路優(yōu)點(diǎn)是：誤差及溫漂只與一個(gè)電阻有關(guān)；缺點(diǎn)是圖1的輸出不能共地、圖1的輸入為反相。圖3電路優(yōu)點(diǎn)輸出能共地；缺點(diǎn)是誤差與5個(gè)電阻有關(guān)，且其中4個(gè)電阻不平衡時(shí)，輸出還與負(fù)載大小有關(guān)。圖4電路優(yōu)點(diǎn)是可接調(diào)零電壓，可共地輸出；缺點(diǎn)是誤差與5個(gè)電阻有關(guān)，輸入電壓要反相。附：圖3電路的誤差4個(gè)電阻平衡時(shí)輸出與負(fù)載電阻的關(guān)系V/I轉(zhuǎn)換電路負(fù)載能力（最大負(fù)載電阻或最高輸出電壓）以圖3（為例）VCE為三極管工作電壓，應(yīng)為1～2V，ILm通常為20mA