基于单片机的高精度PWM式12位D/A转换器设计

2011-03-25 22:08:34来源: 互联网

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1—5V或4—20mA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led ?>led/' target='_blank'>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20—50ppm/℃,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。 图1中的T是固定宽度,τ的宽度是可变的。τ分为5000份,每份2us。所以τ的最大值τmax=2×5000=10000us,这就是T的宽度。当τ=T时,占空比为1,Vo=5.000V,τ=0时,Vo=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:

VM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,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5.000V±2mV,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VI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Vo。其中RC的时间常数一般取RC≥2T,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Vo并不完全与占空比成正比。经测试,Vo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,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1—5V或4—20mA。而曲线2的非线性部分在0.4V以下,所以当采用1—5V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精密电源运算放大器的温度特性。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≤25ppm。运算放大器选择温漂≤10uV/℃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/℃。

[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) Δ=Io-Igd

4.000 3.999 -0.001

8.000 7.998 -0.002

11.000 11.002 +0.002

16.000 16.006 +0.006

20.000 20.008 +0.008

线性=Δmax/20=0.0004

20℃ 60.℃

4.000mA 3.993mA Δ=-0.007mA

20.000mA 19.974mA Δ=-0.026mA

温度漂移=Δmax/20×40=33ppm/℃

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%/10℃,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。后面加一级V/I转换电路,构成标准的4—20mA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。

关键字:单片机

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0325/article_6134.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
单片机

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved