1、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和控制器類的儀表中，需要輸出 15V 或 420mA 的直流信號的時候，通常采用專用的 D/A 芯片，一般是每路一片。當輸出信號的精度較高時，D/A芯片的位數也將隨之增加。在工業儀表中，通常增加到 12 位。12 位 D/A 的價格目前比單片機的價格要高得多，占用的接口線數量也多。尤其是在需隔離的場合時，所需的光電耦合器數量與接口線相當，造成元器件數量大批增加，使體積和造價隨之升高。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

2、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蟲/2LSB,溫度漂移的綜合指標在 2050ppm/C,上述兩項指標在 0.2 級儀表中是可以滿足要求的，下面給出的電路可以達到上述兩項指標。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。的最大值向ax=2X5000=10000us,這就是 T 的寬度。當T 時，占空比為 1,Vo=5.000V,=0 寸，Vo=0Vo 這種脈沖電壓經過兩級 RC 濾波后得到的電壓可由下式表示：丫。=尹H+5,口。V圖

3、2VM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，但實際應用上還存在一些問題。圖 2 是實際線路，其中單片機可用 8098 或 8031 兩種常用芯片，VM的數值為 5.000V2mV,D/A 與單片機必須是電氣隔離的。否則數字脈沖電流產生的干擾會影響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。經隔離后的脈沖驅動模擬開關 CD4053。CD4053 是三組兩觸點模擬開關，由 PWM脈沖控制開關的公共接點使之與+5.000V 和地接通，在 VI得到與單片機輸出相一致的 PWM波形。該波形經兩級 RC 濾波后由運放構成的電

4、壓跟隨器輸出 Vo。其中 RC 的時間常數一般取 R82T,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，而且使線性度得到了提高。通過實驗可知，這一級運放的的緩沖作用是保證整個 D/A 精度和線性度的重要環節。盡管 RC 濾波器無負載，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 表示實測值。由圖中可見，曲線

5、 2 的根部不太理想。這是因為所使用的電容不是純電容，其中含有一定的電感。在占空比極小時，由于脈沖非常窄，它產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，但實際實際給電容充電卻很小。這樣就在窄脈沖時產生非線性。當采用無感電容時，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，價格也較高，所以在大時間常數濾波電路中沒有實際意義。在實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，在工業儀表中，標準的信號一般為 15V 或 420mA。而曲線 2 的非線性部分在 0.4V 以下，所以當采用 15V 輸出信號時，精度為 0.0

6、3%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 精密電源和運算放大器的溫度特性。為不使價格太高，選用 2DW232 精密穩壓二極管，運放的電阻與濾波電阻要匹配且溫度系數RsIs=Vo/Rs 因此，圖 3 中取 Rs=100 歐，當調理電路輸出 0.42V 的時候，總耗電電流 420mA.若不能滿足 R2Rs&沒關系，Rs 與 R2 并聯(Rs/R2)是個固定值，Is 與 Vo 仍然是線性關系，誤差比例系數在校準時可以消除。除了電路正確以外，該電路正常工作還需要 2 個條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流還要供給調理電路以

7、及變送器。其次要求運放能夠單電源工作，即在沒有負電源情況下，輸入端仍能夠接受 0V 輸入，并能正常工作。LM358/324 是最常見也是價格最低的單電源運放，耗電 400uA/每運放，基本可以接受。單電源供電時，輸入端從-0.3VVcc-1.5V 范圍內都能正常工作。如果換成 OP07 等精密放大器，因為輸入不允許低至 0V,在該電路中反而無法工作。R5 和 U1 構成基準源，產生 2.5V 穩定的基準電壓。LM38 腿低成本的微功耗基準，20uA 以上即可工作，手冊上給出的曲線在 100uA 附近最平坦，所以通過 R5 控制電流 100uA 左右。OP2 構成一個同向放大器，將基準放大，向調

8、理電路及傳感器供電。因為寬輸入電壓、低功耗的穩壓器稀少，成本高；將基準放大作為穩壓電源是一個廉價的方案。該部分電路也可以選擇現成的集成電路。比如 XTR115/116/105 等，精度和穩定性比自制的好，自身功耗也更低(意味著能留更多電流給調理電路，調理部分更容易設計)。但成本比上述方案高 10 倍以上.4 .兩線制壓力變送器設計壓力橋、稱重傳感器輸出信號微弱，都屬于 mV信號。這一類小信號一般都要求用差動放大器對其進行第一級放大。 一般選用低失調、 低溫飄的差動放大器。 另外在兩線制應用中，低功耗也是必需的。AD623 是常用的低功耗精密差動放大器，常用在差分輸出前級的放大。AD623 失調

9、最大 200uV,溫飄 1uV/度，在一般壓力變送應用保證了精度足夠。R0 將0.4V 疊加在 AD623 勺 REF 卻(5 腳)上，在壓力=0 情況下通過調整 R0 使輸出 4mA 再調整 RG 輸出20.00mA 完成校準。電路設計時需注意，壓力橋傳感器相當于一個千歐級的電阻，耗電一般比較大。適當降低壓力橋的激勵電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高 AD623 的增益。圖 6 給出的傳感器采用恒壓供電， 實際應用中大部分半導體壓力傳感器需要恒流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個運放構成恒流源為其提供激勵。5 .穩定性和安全性的考慮工業環境下環境惡劣且對可靠性要求高，

10、 因此兩線制變送器的設計上需要考慮一定的保護和增強穩定性措施。1.電源保護。電源接反、超壓、浪涌是工業上常見的電源問題。電源接反是設備安裝接線時最容易發生的錯誤，輸入口用一只二極管即可防止接反電源時損壞電路。如果輸入端加一個全橋整流器，那么即使電源接反仍能正常工作。為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一只 TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般 TVS 電壓值取比運放極限電壓略低，才能起到保護作用。如果可能遭受雷擊，TVS 可能吸收容量不夠，壓敏電阻也是必需的，但是壓敏電阻本身漏電會帶來一定誤差。2.過流保護。設備運行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯誤情況發生。或者輸入

11、量本身很有可能超量程，變送器必須保證任何情況下輸出不會無限制上升，否則有可能損壞變送器本身、電源、或者遠方顯示儀表。圖中 Rb 和 Z1 構成了過流保護電路。無論什么原因導致 OP1 輸出大于 6.2V（1N4735 是 6.2V 穩壓管），者除被 Z1 鉗位，Q1 的基極不可能高于 6.2V。因此 Re 上電壓不可能高于 6.2-0.6=5.6V,因此總電流不會大于Ue/Re=5.6V/200=28mA3.寬電壓適應能力。一般兩線制變送器都能適應大范圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類電源，同時能夠適應大的負載電阻。對電源最敏感的部分是基準源，同時基準源也是決定精度的主要元件。3 樓圖中基準通過R5 限流，當電源電壓變化時，R5 上電流也隨之改變，對基準穩定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334 為基準供電，電壓大范圍變化時，電流基本不變，保證了基準的穩定性。4.退藕電容一般的電路設計中，每個集成電路的電源端都會有退藕電容。在兩線制變送器上電時，這些電容的充電會在瞬間導致大電流，有可能會損壞遠方儀表。因此每個退藕電容一般不超過 10nF,總退藕電容