利用單片機構成高精度PWM式12位D/A

[一].前言

在用單片機制作的變送器類(lèi)和控制器類(lèi)的儀表中，需要輸出1—5V或4—20mA的直流信號的時(shí)候，通常采用專(zhuān)用的D/A芯片，一般是每路一片。當輸出信號的精度較高時(shí)，D/A芯片的位數也將隨之增加。在工業(yè)儀表中，通常增加到12位。12位D/A的價(jià)格目前比單片機的價(jià)格要高得多，占用的接口線(xiàn)數量也多。尤其是在需隔離的場(chǎng)合時(shí)，所需的光電耦合器數量與接口線(xiàn)相當，造成元器件數量大批增加，使體積和造價(jià)隨之升高。如果在單片機控制的儀表里用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。我們在S系列流量?jì)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的構成原理。

[二].電路原理

一般12位D/A轉換器在手冊中給出的精度為±1/2LSB，溫度漂移的綜合指標在20—50ppm/℃，上述兩項指標在0.2級儀表中是可以滿(mǎn)足要求的，下面給出的電路可以達到上述兩項指標。

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(xiàn)性較好，這種方式在理論上是很成熟的，但實(shí)際應用上還存在一些問(wèn)題。圖2是實(shí)際線(xiàn)路，其中單片機可用8098或8031兩種常用芯片，VM的數值為5.000V±2mV，D/A與單片機必須是電氣隔離的。否則數字脈沖電流產(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得到與單片機輸出相一致的PWM波形。該波形經(jīng)兩級RC濾波后由運放構成的電壓跟隨器輸出Vo。其中RC的時(shí)間常數一般取RC≥2T，這樣兩級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，可適當提高RC的乘積，但電路的響應速度也會(huì )放慢。

用運放做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(xiàn)性度得到了提高。通過(guò)實(shí)驗可知，這一級運放的的緩沖作用是保證整個(gè)D/A精度和線(xiàn)性度的重要環(huán)節。盡管RC濾波器無(wú)負載，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。