《PWM高精度输出12bitDA》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PWM高精度输出12bitDA（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、利用单片机构成高精度PWM式12位D/A一.前言在用单片机制作的变送器类和控制器类的仪表中，需要输出15V或420mA的直流信号的时候，通常采用专用的D/A芯片，一般是每路一片。当输出信号的精度较高时，D/A芯片的位数也将随之增加。在工业仪表中，通常增加到12位。12位D/A的价格目前比单片机的价格要高得多，占用的接口线数量也多。尤其是在需隔离的场合时，所需的光电耦合器数量与接口线相当，造成元器件数量大批增加，使体积和造价随之升高。如果在单片机控制的仪表里用PWM方式完成D/A输出，将会使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。我们在S系列流量仪表中采用了这种方式，使用效果非常理想。下面介绍
2、一下PWM方式D/A的构成原理。二.电路原理一般12位D/A转换器在手册中给出的精度为1/2LSB,温度漂移的综合指标在2050ppm/C,上述两项指标在0.2级仪表中是可以满足要求的，下面给出的电路可以达到上述两项指标。VVM0T12Tt图1图1中的T是固定宽度，t的宽度是可变的。t分为5000份，每份2us。所以t的最大值t=2x5000=10000us，这就是T的宽度。当t=T时，占空比为1,V0=5.000V,t=0时，maxVb=0V。这种脉冲电压经过两级RC滤波后得到的电压可由下式表示：10kV/I单片机80988031+5.000VCD405320k4_0mA22uF22uFvm
3、必须是精密电压源。VO与占空比成正比，且线性较好，这种方式在理论上是很成熟的，M但实际应用上还存在一些问题。图2是实际线路，其中单片机可用8098或8031两种常用芯片，VM的数值为5.000V2mV,D/A与单片机必须是电气隔离的。否则数字脉冲电流产生的干扰会影响D/A精度，从示波器可以看到高达50mV的干扰毛刺电压，因此有必要加光电隔离。经隔离后的脉冲驱动模拟开关CD4053。CD4053是三组两触点模拟开关，由PWM脉冲控制开关的公共接点使之与+5.000V和地接通，在V得到与单片机输出相一致的PWM波形。该波形经两级RC滤波后由运放构成的电压跟随器输出V其中RC的时间常数一般取RC2T
4、,这样两级RC加起来就会得到纹波小于3mV的直流电压，本电路中RC=220ms,如果想进一步减小纹波，可适当提高RC的乘积，但电路的响应速度也会放慢。用运放做RC滤波器输出的缓冲大有益处。它不仅提高了滤波电路带载能力，而且使线性度得到了提高。通过实验可知，这一级运放的的缓冲作用是保证整个D/A精度和线性度的重要环节。尽管RC滤波器无负载，处在非常理想的条件下工作，但V0并不完全与占空比成正比。经测试，V0与理想值有一些误差，如图3所示。图中的曲线1表示理想值，曲线2表示实测值。由图中可见，曲线2的根部不太理想。这是因为所使用的电容不是纯电容，其中含有一定的电感。在占空比极小时，由于脉冲非常窄，
5、它产生的高次谐波的频率很高，电感对高次谐波的感抗较大，因此在脉冲沿的位置上，尽管电压变化很大，但实际实际给电容充电却很小。这样就在窄脉冲时产生非线性。当采用无感电容时，这种非线性有较大改善，但仍不能完全吻合。由于无感电容容量太小，价格也较高，所以在大时间常数滤波电路中没有实际意义。在实际使用中解决这一问题的方法是舍弃根部非线性部分，只用线性部分，在工业仪表中，标准的信号一般为15V或420mA。而曲线2的非线性部分在0.4V以下，所以当采用15V输出信号时，精度为0.03%完全满足12位D/A要求。除精度满足要求外，温度特性也必须满足要求。影响温度特性的原因主要是5V精密电源和运算放大器的温度
6、特性。为不使价格太高，选用2DW232精密稳压二极管，运放的电阻与滤波电阻要匹配且温度系数三25ppm。运算放大器选择温漂三10uV/C的均可，一般廉价低温漂运放都可满足这个指标。采用上述措施后D/A的总温度漂为33ppm/C。三.实测数据由于这个线路是在0.2级精密仪表中使用的，因此要求线性度和温度特性必须满足要求，另外，这个数据是测量V/I转换后4-20mA电源值与给定电流值之间的误差。这个误差还包含了V/I转换的误差。因此实际的D/A自身的误差比总误差要小。Igd(mA)Io(mA)A=Io-Igd4.0003.999-0.0018.0007.998-0.00211.00011.002+
7、0.00216.00016.006+0.00620.00020.008+0.008线性=Amax/20=0.0004A=-0.007mAA=-0.026mA20C4.000mA20.000mA60.C3.993mA19.974mA温度漂移=Amax/20x40=33ppm/C由以上数据可知，满量程的线性度为0.04%,满量程的温度漂移为0.033%/10C,系统响应时间约为2.2s，输出信号与标准值相差0.1%时所用的时间为11s。四.结束语上面所介绍的D/A电路结构简单，原理易懂，在8098及8031单片机上都可以应用，笔者采用8098单片机的四路高速输入输出同时控制四路精密D/A输出。后面
8、加一级V/I转换电路，构成标准的420mA电流输出，电路经一年多的现场实际应用，效果很好，适于目前0.2级仪表的全部要求。两线制变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取是因为防爆的要求：的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于，当传输线因
9、故障断路，环路电流降为常取作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用或者），可节省一根线，称之为三线制变送器。其实大家可能注意到，电流本身就可以为变送器供电，如图所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为，因此只要在量程范围内，变送器至少有供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。在
10、工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于，那么将不可能输出下限值。因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于。这是两线制变送器的设计根本原则之一。从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：传感器、调理电路、两线制变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转
11、化为线性的电压输出。两线制变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在变换的反馈环路内。如图，采样电阻串联在电路的低端，所有的电流都将通过流回到电源负极。从上取到的反馈信号，包含了所有电路的耗电。在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。下面将逐一分析两线制变换器变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制变换器与一般变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流
12、。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。附图是两线制变换电路的基本原理图：图中、112构成了变换器。分析负反馈过程：若点因为某种原因高于，则运放输出升高，两端电压升高，通过的电流变大。相当于整体耗电变大，通过采样电阻的电流也变大，点电压变低（负更多）。结果是通过将点电压拉下来。反之，若点因某种原因低于，也会被负反馈抬高回。总之，负反馈的结果是运放虚短，点电压二V下面分析对总耗电的控制原理：假设调理电路输出电压为，则流过的电流运放输入端不可能吸收电流，则全部流过，那么点电压取时，有电源负和整个便送器电路之间只有、两个电阻，因此所有的电流都流过和。上端是虚地（），上端是。因此
13、2两端电压完全一样都等于B相当于与并联作为电流采样电阻。因此电路总电流：如果取）因此，图中取欧，当调理电路输出的时候，总耗电电流若不能满足也没关系，与并联（）是个固定值，与仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。除了电路正确以外，该电路正常工作还需要2个条件：首先要自身耗电尽量小，省下的电流还要供给调理电路以及变送器。其次要求运放能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受输入，并能正常工作。是最常见也是价格最低的单电源运放，耗电每运放，基本可以接受。单电源供电时，输入端从范围内都能正常工作。如果换成等精密放大器，因为输入不允许低至，在该电路中反而无法工作。和构成基准源，产生稳
14、定的基准电压。是低成本的微功耗基准，以上即可工作，手册上给出的曲线在附近最平坦，所以通过控制电流左右。构成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少，成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。该部分电路也可以选择现成的集成电路。比如等，精度和稳定性比自制的好，自身功耗也更低（意味着能留更多电流给调理电路，调理部分更容易设计）。但成本比上述方案高倍以上两线制压力变送器设计压力桥、称重传感器输出信号微弱，都属于级信号。这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行第一级放大。一般选用低失调、低温飘的差动放大器。另外在两线制应用中，低功耗也是必需的。是常
15、用的低功耗精密差动放大器，常用在差分输出前级的放大。失调最大，温飘度，在一般压力变送应用保证了精度足够。将叠加在的脚（脚）上，在压力情况下通过调整使输出，再调整输出，完成校准。电路设计时需注意，压力桥传感器相当于一个千欧级的电阻,耗电一般比较大。适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。但是输出幅度也随之下降，需要提高的增益。图给出的传感器采用恒压供电，实际应用中大部分半导体压力传感器需要恒流供电才能获得较好的温度特性，可以用一个运放构成恒流源为其提供激励。满满，能稳定性和安全性的考虑满工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。满1电源保护。满电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。如果输入端加一个全桥整流器，那么即使电源接反仍能正常工作。为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，变送器入口处可以加装一只管来吸收瞬间过压的能量。一般电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。如果可能遭受雷击，可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差。.过流保护。
