基于利用單片機構(gòu)成高精度PWM式12位D/A方法

　　在工業(yè)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(shù)量也多。尤其是在需隔離的場合時，所需的光電耦合器數(shù)量與接口線相當，造成元器件數(shù)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(gòu)成原理。

　　二 電路原理

　　一般12位D/A轉(zhuǎn)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，占空比為1，Vo=5.000V，τ=0時，Vo=0V。這種脈沖電壓經(jīng)過兩級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(shù)值為5.000V±2mV，D/A與單片機必須是電氣隔離的。否則數(shù)字脈沖電流產(chǎn)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(jīng)隔離后的脈沖驅(qū)動模擬開關(guān)CD4053。CD4053是三組兩觸點模擬開關(guān)，由PWM脈沖控制開關(guān)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(jīng)兩級RC濾波后由運放構(gòu)成的電壓跟隨器輸出Vo。其中RC的時間常數(shù)一般取RC≥2T，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(huán)節(jié)。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(jīng)測試，Vo與理想值有一些誤差，如圖3所示。